DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN RUTEADOR CNC DE TRES …

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Facultad de Ingeniería

Ingeniería Electrónica

Programa Especial de Titulación:

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN RUTEADOR CNC DE TRES EJES PARA LA MEJORA EN EL

PROCESO DE DESARROLLO DE ROBOTS EDUCATIVOS EN LA EMPRESA CIDIACCTEC

Autor: Julio Cesar Macha Moreno

Para obtener el Título Profesional de Ingeniero Electrónico

Lima-Perú 2021

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DEDICATORIA

A mis padres por haberme formado como la persona que soy ahora, muchos de mis logros

se los debo a ellos incluyendo este.

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AGRADECIMIENTO

Gracias a mi familia por apoyarme en cada una de mis decisiones, gracias por darme la

oportunidad de estudiar esta carrera y creer en mí.

No ha sido sencillo el camino hasta hoy, pero les agradezco por el aporte de cada uno, a su

amor, su bondad y apoyo, lo complicado de llegar hasta aquí se ha notado menos. Les

agradezco y les muestro todo mi afecto a mis padres y hermanos.

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RESUMEN

En el siguiente trabajo se desarrolla la implementación de un ruteador CNC de tres ejes para

mejorar y acelerar el proceso de desarrollo de robots educativos en la empresa

CIDIACCTEC. Este proyecto se desarrolla en los laboratorios de la empresa CIDIACCTEC y

las validaciones de funcionamiento mediante protocolos de prueba se desarrollan en los

laboratorios de la Universidad Nacional del Callao. El proyecto consiste en una máquina de

corte y fresado con sensores de posición, sistema embebido de monitoreo, control numérico

computarizado, sistema cartesiano de tres ejes y software de control basado en open source.

El presente trabajo se divide en cuatro capítulos, en el primero se describe el problema que

tiene la empresa para obtener el material educativo y se definen los objetivos para

solucionarlo. En el segundo capítulo vemos algunos resúmenes de investigación anteriores

que nos sirve como base para realizar nuestro proyecto, se explica también algunas

tecnologías que serán tomadas en cuenta para implementar nuestro ruteador. En el tercer

capítulo desarrollamos la solución del problema, se muestra un esquema de funcionalidades

del ruteador, la etapa de diseño de la estructura y módulos de la máquina, el ensamblaje de

los componentes físicos y las pruebas de validación por medio de un plan de pruebas. Por

ultimo en el cuarto capítulo se observan los resultados del proyecto y las conclusiones.

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INDICE

INTRODUCCIÓN .................................................................................................................. 12

CAPÍTULO 1 ......................................................................................................................... 14

ASPECTOS GENERALES.................................................................................................... 14

1.1 Definición del problema .............................................................................................. 14

1.1.1 Descripción del problema .................................................................................... 14

1.2 Definición de objetivos ............................................................................................... 15

1.2.1 Objetivo general .................................................................................................. 15

1.2.2 Objetivos específicos .......................................................................................... 15

1.3 Alcances y limitaciones .............................................................................................. 16

1.3.1 Alcances ............................................................................................................. 16

1.3.2 Limitaciones ........................................................................................................ 16

1.4 Justificación ............................................................................................................... 17

1.5 Estudios de viabilidad ................................................................................................. 18

1.5.1 Viabilidad tecnológica.......................................................................................... 18

1.5.2 Viabilidad económica .......................................................................................... 18

1.5.3 Viabilidad social .................................................................................................. 19

CAPÍTULO 2 ......................................................................................................................... 20

MARCO TEÓRICO ............................................................................................................... 20

2.1 Antecedentes ............................................................................................................. 20

2.1.1 Antecedentes Nacionales .................................................................................... 20

2.1.2 Antecedentes Internacionales ............................................................................. 22

2.2 Tecnologías/técnicas de sustento .............................................................................. 24

2.2.1 Sistemas de control numérico computarizado ..................................................... 24

2.2.1.1 Principio de funcionamiento ......................................................................... 25

2.2.1.2 Componentes de un SCNC .......................................................................... 25

2.2.1.3 Sistema de coordenadas .............................................................................. 26

2.2.1.4 Coordenadas absolutas y relativas .............................................................. 26

2.2.1.5 Clasificación de los sistemas de CNC .......................................................... 27

2.2.1.6 Sistemas de control de movimiento en CNC ................................................ 29

2.2.1.7 Aplicación por excelencia de los SCNC ....................................................... 36

2.2.1.8 Fórmulas para el fresado ............................................................................. 37

2.2.2 Programación de control numérico ...................................................................... 41

2.2.2.1 Estructura de la programación ..................................................................... 41

2.2.2.2 Códigos de control numérico para la fresadora ............................................ 43

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CAPÍTULO 3 ......................................................................................................................... 45

DESARROLLO DE LA SOLUCIÓN ....................................................................................... 45

3.1 Metodología propuesta ............................................................................................... 45

3.2 Cronograma de actividades ........................................................................................ 47

3.3 Modelo de diseño ....................................................................................................... 48

3.3.1 Definición de la funcionalidad del ruteador CNC ................................................. 48

3.3.1.1 Partes del ruteador CNC .............................................................................. 49

3.3.2 Diseño de la estructura del ruteador CNC ........................................................... 52

3.3.2.1 Diseño mecánico de la estructura ................................................................ 52

3.3.2.2 Diseño mecánico del área de trabajo ........................................................... 53

3.3.3 Componentes y diseño del sistema de monitoreo y control ................................. 56

3.3.3.1 Diagrama de control de motores .................................................................. 56

3.3.3.2 Controlador DB25-1205 breakout board ....................................................... 57

3.3.3.3 Driver DQ542MA para motor PAP ................................................................ 59

3.3.3.4 Motor paso a paso Nema23 WT57STH115-4204A ...................................... 65

3.3.3.5 Sistema de transmisión ................................................................................ 67

3.3.3.6 Interruptor de acción rápida SS-10GL2 ........................................................ 69

3.3.3.7 Motor DWALT DPW611 ............................................................................... 70

3.3.3.8 Relés para control de herramienta de tallado ............................................... 76

3.3.3.9 Fresa o broca de carburo de forma cónica de 60° ........................................ 77

3.3.3.10 Fuente de alimentación ................................................................................ 77

3.3.3.11 Pulsador stop ............................................................................................... 79

3.3.3.12 Diagrama de conexionado ........................................................................... 80

3.3.3.13 Software LinuxCNC ...................................................................................... 81

3.4 Implementación y ensamblaje del ruteador CNC ........................................................ 83

3.4.1 Implementación de la estructura ......................................................................... 83

3.4.2 Ensamblaje del sistema de monitoreo y control................................................... 85

3.4.2.1 Consideraciones iniciales ............................................................................. 85

3.4.2.2 Consideraciones para el ensamblaje de los componentes y módulos .......... 87

3.4.3 Instalación y configuración del software LinuxCNC ............................................. 91

3.4.3.1 Instalación del software LinuxCNC ............................................................... 91

3.4.3.2 Configuración del software Linux CNC ......................................................... 99

3.5 Pruebas y validación del ruteador CNC .................................................................... 129

3.5.1 Protocolo de pruebas unitarias .......................................................................... 129

3.5.1.1 Prueba 1 .................................................................................................... 129

3.5.1.2 Prueba 2 .................................................................................................... 130

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3.5.1.3 Prueba 3 .................................................................................................... 132

3.5.1.4 Prueba 4 .................................................................................................... 133

3.5.1.5 Prueba 5 .................................................................................................... 134

3.5.1.6 Prueba 6 .................................................................................................... 135

3.5.1.7 Prueba 7 .................................................................................................... 136

3.5.1.8 Prueba 8 .................................................................................................... 138

3.5.2 Protocolo de pruebas integrales ........................................................................ 139

3.5.2.1 Prueba 1 .................................................................................................... 139

3.5.2.2 Prueba 2 .................................................................................................... 142

CAPÍTULO 4 ....................................................................................................................... 144

RESULTADOS ................................................................................................................... 144

4.1 Resultados ............................................................................................................... 144

4.2 Presupuesto ............................................................................................................. 149

CONCLUSIONES ............................................................................................................... 150

RECOMENDACIONES ....................................................................................................... 152

BIBLIOGRAFIAS ................................................................................................................ 153

ANEXO 1 ............................................................................................................................ 155

ANEXO 2 ............................................................................................................................ 156

ANEXO 3 ............................................................................................................................ 157

ANEXO 4 ............................................................................................................................ 158

ANEXO 5 ............................................................................................................................ 159

ANEXO 6 ............................................................................................................................ 160

ANEXO 7 ............................................................................................................................ 161

ANEXO 8 ............................................................................................................................ 162

ANEXO 9 ............................................................................................................................ 163

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INDICE DE FIGURAS

Figura 1. Componentes de un SCNC .................................................................................... 25 Figura 2. Sistema de tres ejes de coordenadas .................................................................... 26 Figura 3. Sistema punto a punto ........................................................................................... 27 Figura 4. Sistema de corte directo ........................................................................................ 28 Figura 5. Sistema de contorneo ............................................................................................ 29 Figura 6. Motor PAP ............................................................................................................. 30 Figura 7. Funcionamiento de MPAP ..................................................................................... 30 Figura 8. Funcionamiento de MPAP con dos fases energizadas .......................................... 31 Figura 9. Controlador de MPAP ............................................................................................ 32 Figura 10. Sistema de control de movimiento a lazo abierto ................................................. 33 Figura 11. Paso de un tornillo ............................................................................................... 33 Figura 12. Sistema de desplazamiento mediante engranajes ............................................... 34 Figura 13. Operación de fresado .......................................................................................... 37 Figura 14. Estructura de un bloque de programación............................................................ 42 Figura 15. Estructura de trabajo ............................................................................................ 46 Figura 16. Funcionalidad del ruteador CNC .......................................................................... 48 Figura 17. Partes de un ruteador y sus actividades .............................................................. 50 Figura 18. Modelado del CNC ............................................................................................... 52 Figura 19. Área de trabajo .................................................................................................... 53 Figura 20. Eje X de la estructura ........................................................................................... 54 Figura 21. Eje Y de la estructura ........................................................................................... 54 Figura 22. Eje Z de la estructura ........................................................................................... 55 Figura 23. Diagrama de control de motores .......................................................................... 57 Figura 24. DB25-1205 breakout board .................................................................................. 59 Figura 25. Driver DQ542MA.................................................................................................. 60 Figura 26. Motor PAP Nema23 WT57STH115-4204A .......................................................... 66 Figura 27. Interruptor de acción rápida SS-10GL2 ................................................................ 70 Figura 28. Motor DWALT DPW611 ....................................................................................... 76 Figura 29. Fuente switching .................................................................................................. 79 Figura 30. Diagrama de conexionado ................................................................................... 80 Figura 31. Primera estructura del CNC ................................................................................. 83 Figura 32. Segunda estructura del CNC ............................................................................... 84 Figura 33. Pieza de aluminio ................................................................................................. 84 Figura 34. Estructura de aluminio del CNC ........................................................................... 85 Figura 35. Primer prototipo del CNC ..................................................................................... 86 Figura 36. Pruebas preliminares del prototipo ....................................................................... 86 Figura 37. Conexión del circuito de relés .............................................................................. 89 Figura 38. Conexión del sistema de control de motores ........................................................ 90 Figura 39. Pantalla de instalación de LinuxCNC ................................................................... 91 Figura 40. Test de latencia.................................................................................................... 92 Figura 41. Test de latencia mediante comando..................................................................... 93 Figura 42. Resultados del test de latencia ............................................................................ 93 Figura 43. Configuración en Stepconf Wizard ....................................................................... 95 Figura 44. Configuración en Stepconf Wizard mediante comando ........................................ 95 Figura 45. Ventana inicial de Stepconf .................................................................................. 96 Figura 46. Ventana inicial de configuración de Stepconf ....................................................... 96 Figura 47. Ventana de configuración de Stepconf ................................................................. 98 Figura 48. Otra configuración válida ..................................................................................... 98

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Figura 49. Configuración de los pines ................................................................................. 100 Figura 50. Configuración del eje X ...................................................................................... 101 Figura 51. Información para el eje X ................................................................................... 103 Figura 52. Ventana de finalización de configuración ........................................................... 103 Figura 53. Creación de dos archivos ................................................................................... 104 Figura 54. Instalación de Inkscape ...................................................................................... 104 Figura 55. Ventana de autenticación de Synaptic ............................................................... 105 Figura 56. Ventana de gestor de paquetes de Synaptic ...................................................... 105 Figura 57. Ventana de búsqueda de Inkscape .................................................................... 106 Figura 58. Búsqueda de Inkscape....................................................................................... 106 Figura 59. Ventana del paquete Inkscape ........................................................................... 107 Figura 60. Lista del paquetes .............................................................................................. 107 Figura 61. Aplicación de los paquetes ................................................................................ 108 Figura 62. Aplicación de los cambios .................................................................................. 108 Figura 63. Ventana de descarga de paquetes .................................................................... 109 Figura 64. Ventana de instalación de software Inkscape .................................................... 109 Figura 65. Ventana de cambios aplicados .......................................................................... 109 Figura 66. Mensaje de ejecución de Gcodetools ................................................................. 110 Figura 67. Búsqueda de extensión python-lxml................................................................... 110 Figura 68. Archivo de Gcodetools ....................................................................................... 111 Figura 69. Descomprimir archivo de Gcodetools ................................................................. 112 Figura 70. Extracción de archivo Gcodetools ...................................................................... 112 Figura 71. Acceso al superusuario ...................................................................................... 113 Figura 72. Pantalla principal de Gcodetools ........................................................................ 113 Figura 73. Importación de una imagen a Inkscape .............................................................. 114 Figura 74. Incrustar la imagen ............................................................................................ 114 Figura 75. Hoja de trabajo .................................................................................................. 115 Figura 76. Vectorizar la imagen .......................................................................................... 116 Figura 77. Ventana para vectorizar la imagen ..................................................................... 116 Figura 78. Desvío dinámico ................................................................................................ 117 Figura 79. Puntos de orientación ........................................................................................ 117 Figura 80. Ingreso de parámetros de orientación ................................................................ 118 Figura 81. Puntos de orientación en la hoja de trabajo ....................................................... 118 Figura 82. Elección del tipo de herramienta ........................................................................ 119 Figura 83. Lista de parámetros ........................................................................................... 119 Figura 84. Ventana de modificación de parámetros ............................................................ 120 Figura 85. Mensaje de error ................................................................................................ 121 Figura 86. Interfaz AXIS ...................................................................................................... 121 Figura 87. Ventana para cargar el código G ....................................................................... 126 Figura 88. Ventana para escoger una imagen .................................................................... 126 Figura 89. Código G en la interfaz AXIS ............................................................................. 127 Figura 90. Restablecer los Home de los ejes ...................................................................... 127 Figura 91. Origen de los ejes .............................................................................................. 128 Figura 92. Ventana de ejecución del programa ................................................................... 128 Figura 93. Conexión del sistema de emergencia ................................................................ 142 Figura 94. Modelado del CNC ............................................................................................. 144 Figura 95. Ensamblado de los módulos .............................................................................. 145 Figura 96. Ruteador CNC funcional .................................................................................... 145 Figura 97. Ruteador CNC validado ..................................................................................... 146 Figura 98. Material en proceso de corte y fresado .............................................................. 146

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Figura 99. Pruebas de corte y fresado ................................................................................ 148 Figura 100. Aprobación del proyecto por FIDECOM ........................................................... 155 Figura 101. Convenio de adjudicación del proyecto ............................................................ 156 Figura 102. Características técnicas de motor PAP WT57STH115-4204A ......................... 158 Figura 103. Características de los husillos de precisión SND/BND ..................................... 159 Figura 104. Características de los carros LLTHC ................................................................ 160 Figura 105. Características de los raíles LLTHR ................................................................. 161 Figura 106. Cotización de fuente de poder switching .......................................................... 162 Figura 107. Proforma de componentes electrónicos ........................................................... 163

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INDICE DE TABLAS

Tabla 1 Lista de códigos generales “G”................................................................................. 43 Tabla 2 Lista de códigos misceláneos “M” ............................................................................ 44 Tabla 3 Cronograma de actividades ..................................................................................... 47 Tabla 4 Características de la estructura ................................................................................ 56 Tabla 5 Comparación de los dispositivos de control ............................................................. 58 Tabla 6 Descripción de los pines .......................................................................................... 61 Tabla 7 Resolución de los pasos .......................................................................................... 61 Tabla 8 Configuración de resolución de los pasos ................................................................ 62 Tabla 9 Corrientes de salida ................................................................................................. 62 Tabla 10 Tabla de errores ..................................................................................................... 64 Tabla 11 Comparación de los motores ................................................................................. 65 Tabla 12 Comparación de los sistemas de transmisión ........................................................ 67 Tabla 13 Comparación de los sistemas de movimiento lineal ............................................... 69 Tabla 14 Parámetros para el proceso de fresado de nuestro ruteador .................................. 71 Tabla 15 Parámetros resultantes de fresado de nuestro ruteador ......................................... 74 Tabla 16 Comparación de los motores de herramienta ......................................................... 74 Tabla 17 Comparación del software de control ..................................................................... 81 Tabla 18 Configuración de los pines ..................................................................................... 87 Tabla 19 Configuración de las corrientes del driver .............................................................. 88 Tabla 20 Configuración de los pasos .................................................................................... 88 Tabla 21 Parámetros del driver ............................................................................................. 97 Tabla 22 Resultado 1 del test de latencia ........................................................................... 129 Tabla 23 Resultado 2 del test de latencia ........................................................................... 130 Tabla 24 Configuración valida de los pines ......................................................................... 131 Tabla 25 Configuración valida de los pines ......................................................................... 133 Tabla 26 Resultados de la conmutación del motor .............................................................. 134 Tabla 27 Configuración de los pines 4 y 5 del driver ........................................................... 135 Tabla 28 Valores de la fuente Switching ............................................................................. 136 Tabla 29 Valores del driver en el motor Y ........................................................................... 137 Tabla 30 Valores de velocidad y aceleración ...................................................................... 137 Tabla 31 Valores en DB25-1205 con la fuente Switching .................................................... 138 Tabla 32 Configuración de los pines en Stepconf ............................................................... 140 Tabla 33 Configuración de los parámetros de origen y recorrido en X ................................ 141 Tabla 34 Configuración de los parámetros de origen y recorrido en Y ................................ 141 Tabla 35 Configuración de los parámetros de origen y recorrido en Z ................................ 142 Tabla 36 Configuración de los pines de I/O en Stepconf ..................................................... 143 Tabla 37 Configuración validada de los pines ..................................................................... 147 Tabla 38 Presupuesto del ruteador CNC ............................................................................ 149 Tabla 39 Flujo de caja (cifras en soles) ............................................................................... 157

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INTRODUCCIÓN

La robótica abarca distintos temas como la mecánica, electrónica, la informática, entre otras.

Por lo tanto, la robótica tiene un componente motivador muy fuerte en la educación, siendo

una herramienta con la cual los alumnos se interesan por la tecnología y las ciencias.

La empresa CIDIACCTEC se dedica a desarrollar talleres para promover actividades de

investigación en proyectos tecnológicos en los diversos niveles educativos, por lo que viene

fomentando un programa llamado NeuroRobotic, el cual capacita a estudiantes entre los 4 y

17 años de edad. Sin embargo el problema que se presenta en CIDIACCTEC es que ésta

empresa depende de otras para realizar los procesos de corte y fresado de ciertos

materiales y así obtener los kits de robótica necesarios para los alumnos de los talleres.

El objetivo de la empresa es tener su propia máquina de corte y fresado para no depender

tecnológicamente, reducir los tiempos de producción y disminuir los costos que implica

obtener los materiales educativos. Además la empresa presenta este proyecto al programa

Innóvate Perú para obtener el cofinanciamiento, el cual es aprobado y trabajado en

colaboración con la Universidad Nacional del Callao.

El objetivo de este trabajo es diseñar e implementar un ruteador CNC de tres ejes para

acelerar y mejorar el proceso de desarrollo de robots educativos en la empresa

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CIDIACCTEC. En este trabajo se mostrará los procesos que siguió el proyecto desde el

diseño, construcción y funcionamiento hasta la validación de un ruteador de corte y fresado.

Las funciones de esta máquina son de corte, fresado, desbaste y rectificado, entre los

materiales a trabajar tenemos la madera blanda, madera dura, MDF (Medium Density

Fiberboard), HDF (High Density Fiberboard) y acrílico. El presente proyecto también puede

seguir siendo financiado para un proceso de implementación en una escala mayor, en donde

la máquina pueda servir para la distribución, venta y ofrecer servicio de corte y fresado al

público.

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CAPÍTULO 1

ASPECTOS GENERALES

1.1 Definición del problema

1.1.1 Descripción del problema

La empresa CIDIACCTEC se dedica a desarrollar cursos y talleres sobre

automatización industrial, electrónica, robótica e informática.

El objetivo social de CIDIACCTEC es promover actividades de investigación en

proyectos tecnológicos en los diversos niveles educativos, por lo que viene

fomentando un programa llamado NeuroRobotic, el cual forma y capacita estudiantes

entre los 4 y 17 años de edad, que son estudiantes en paralelo de escuelas primaria y

secundaria, en este taller se logran desarrollar robots utilizando material educativo

previamente diseñado y producido, sin embargo la empresa CIDIACCTEC no cuenta

con una maquina propia de corte y fresado rápido para obtener dicho material

educativo, es por esa razón que se genera una necesidad y un problema de

dependencia en las actividades de corte y fresado.

Durante los meses de Enero a Marzo se matriculan aproximadamente 30 estudiantes,

de Abril a Junio 20 estudiantes, de Julio a Septiembre 20 estudiantes y de Octubre a

15

Diciembre 15 estudiantes, siendo así la primera parte del año con más estudiantes en

el taller. En cuanto al costo de material de cada kit robótico, la empresa proveedora

del servicio cobra S/5.00 por cada minuto de trabajo de su máquina cortadora y/o

fresadora, resultando en promedio S/40.00 por el material trabajado de cada kit

robótico, mientras que el tiempo de entrega al inicio de año de 30 kits robóticos es de

5 días como mínimo y en ocasiones más tiempo que retrasan los procesos del taller.

Por lo tanto, la empresa CIDIACCTEC tiene la necesidad de optimizar el proceso de

desarrollo de robots educativos, ya que al ser dependiente de los horarios y demora

de otras empresas que si ofrecen el servicio de corte y fresado, se genera una

demora en los tiempos de ensamblaje y diseño de nuevos modelos de robots.

Lo que CIDIACCTEC siempre busca es la no dependencia tecnológica en la mejora

de sus procesos de desarrollo del taller Neurorobotic.

1.2 Definición de objetivos

1.2.1 Objetivo general

Implementar un ruteador CNC de tres ejes a través de herramientas de diseño,

control y ensamblaje para acelerar y mejorar el proceso de obtención de material

educativo en la empresa CIDIACCTEC.

1.2.2 Objetivos específicos

Determinar y modelar la estructura mecánica del ruteador mediante un software

en 3D de acuerdo a su funcionalidad.

Definir y seleccionar los módulos y software a utilizar para el ruteador.

Configurar el software de diseño y de control de la maquina ruteadora.

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Integrar y ensamblar los módulos y componentes físicos del ruteador.

Validar mediante un protocolo y plan de pruebas la correcta funcionalidad del

ruteador.

Reducir los tiempos y costos de producción de material educativo para los talleres

de NeuroRobotic de CIDIACCTEC.

1.3 Alcances y limitaciones

1.3.1 Alcances

Se implementará un ruteador cuyas funciones serán de corte, fresado, desbaste y

rectificado.

Entre los materiales a trabajar tenemos la madera blanda, madera dura, MDF

(Medium Density Fiberboard), HDF (High Density Fiberboard) y acrílico.

El ruteador será diseñado y trabajado solamente para el uso y autoservicio de la

empresa CIDIACCTEC.

1.3.2 Limitaciones

Al ser el presente proyecto con contrapartida de Innóvate Perú, un problema es la

demora en el financiamiento inicial, por lo que el tema del prototipado inicial se realizó

con recursos propios para validar eléctrica y electrónicamente algunas etapas del

proyecto.

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1.4 Justificación

En el presente proyecto se investiga sobre los temas de robótica y electrónica aplicados en

la implementación de un ruteador CNC para el corte y fresado de materiales.

La robótica abarca distintos temas como la mecánica, electrónica, la informática, entre otras.

La robótica tiene un componente motivador muy fuerte en la educación, siendo una

herramienta con la cual los alumnos se interesan por la tecnología y las ciencias (Porcuna,

2017).

El presente proyecto por lo tanto tiene mucha importancia, además de los beneficios que

aporta a la empresa CIDIACCTEC, ya que este ruteador mediante su funcionamiento puede

producir el material para la elaboración de robots educativos y así ofrecer a sus alumnos una

educación basada en el aprendizaje vivencial. Este trabajo mostrará mediante indicadores

reales la importancia del autoservicio en una institución dedicada a la educación, sabiendo

que el objetivo social de CIDIACCTEC es promover actividades de investigación en

proyectos tecnológicos en los diversos niveles educativos.

Socialmente la robótica educativa influye significativamente en el rendimiento académico de

los niños y niñas de educación primaria, dado que los resultados de las pruebas

pedagógicas de matemática y de ciencias son superiores en el grupo experimental en

comparación con el grupo de control. Es por eso que la robótica educativa está generando

un impacto pedagógico positivo en los educandos en el interior del país (Camarena, 2017).

El presente proyecto de diseño e implementación de un ruteador CNC fue aprobado por el

Consejo Nacional de Ciencia, Tecnología e Innovación Tecnológica y cofinanciado a través

de su programa Innóvate Perú, como se muestra en la Figura 95 del Anexo 1.

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1.5 Estudios de viabilidad

1.5.1 Viabilidad tecnológica

La empresa CIDIACCTEC cuenta con los recursos necesarios para realizar el proyecto,

los componentes electrónicos y mecánicos para implementar el ruteador se consiguen

de manera local para evitar complicaciones y demoras.

Los laboratorios de la empresa están equipados con herramientas de medición y

calibración necesarias para este proyecto.

En cuanto a la validación del funcionamiento de la máquina, en esta etapa la

Universidad Nacional del Callao colabora con sus laboratorios de electrónica para

realizar dichas pruebas de validación.

1.5.2 Viabilidad económica

En el presente proyecto los componentes al ser obtenidos localmente no generaran

mayores gastos como por ejemplo el importar o depender de empresas distribuidoras

exclusivas. Incluso Innóvate Perú hará un cofinanciamiento a CIDIACCTEC para que el

proyecto se lleve a cabo, como se muestra en la Figura 96 del Anexo 2.

El presente proyecto de diseño e implementación de un ruteador CNC fue aprobado

por el Programa Nacional de Innovación para la Competitividad y Productividad para

Proyectos de Innovación de Empresas Individuales (PIMEN) promovidos por el

Consejo Nacional de Ciencia, Tecnología e Innovación Tecnológica CONCYTEC con

código PIMEN-9-P-415-196-15 (Innóvate Perú, 2015).

El proyecto también es considerado viablemente económico, ya que mediante la

elaboración de un flujo de caja y estimando la durabilidad del proyecto a seis (6) años

19

obtenemos un VAN de 7,844.46 (mayor a cero) y un TIR de 31%, como se muestra

en la Tabla 30 del Anexo 3.

1.5.3 Viabilidad social

El presente proyecto es importante socialmente, ya que la robótica educativa y el

aprendizaje vivencial influyen significativamente en el rendimiento académico de los

niños y niñas de educación primaria y secundaria. Idea que es compartida por la

empresa CIDIACCTEC que promueve actividades de investigación en proyectos

tecnológicos en los diversos niveles educativos, por lo que busca mejorar el proceso

de obtención de sus kits de robótica en sus talleres del programa NeuroRobotic.

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CAPÍTULO 2

MARCO TEÓRICO

2.1 Antecedentes

En investigaciones relacionadas a la implementación de ruteadores con control numérico

computarizado, se encontró diversos hallazgos que están relacionados con este trabajo de

investigación. Las cuáles serán tomadas en cuenta para resolver la problemática.

2.1.1 Antecedentes Nacionales

Silva y Choque (2017) en su tesis: “Diseño e implementación de un sistema de control

numérico por computadora de una fresadora de madera en tres dimensiones”, logra diseñar

una máquina de muy buena precisión, por lo que utilizó un escalímetro para hacer

mediciones en el desplazamiento de los ejes y así poder calibrarlos, de esta manera se

garantiza que el desplazamiento sea el correcto. Usaron motores Spindle, que se

caracterizan por ser capaces de girar a altas velocidades, además de tener un sistema de

refrigeración incorporado para hacer el fresado de madera. Para mover los tres ejes

utilizaron servomotores ya que son más económicos, requiere menos mantenimiento y posee

21

buen torque. Para el control de los motores PAP fue fundamental el CI TB6560 que tiene la

función de trabajo igual a un puente H doble. Se diseñó un sistema de limpieza ya que al

procesar madera se genera partículas de residuos sólidos en cantidad, además de viruta y

polvillo, para el sistema de limpieza se necesitó de motores monofásicos de potencia

alrededor de 1500W. Diseñándose para esto un software de limpieza en Matlab que

modifique el código G y se pueda ingresar líneas de código que indiquen al motor Spindle

encenderse o apagarse en determinados tiempos.

Allauca (2017) en su investigación: “Diseño e implementación de un sistema automatizado

por control numérico computarizado para cortes por plasma en los procesos de manufactura

de la empresa CEM Ingenieros E.I.R.L.”, se tiene claro que las maquinas CNC tienen

muchas ventajas para maquinar cualquier material, además de la optimización de tiempo,

exactitud, espacio y disminución de errores. La máquina CNC que en esta tesis se diseña es

para corte por plasma usando los ejes X e Y como trayectorias en 2D, y el eje Z para la

distancia entre la punta de la antorcha y el metal, generando así un arco de plasma logrando

un óptimo proceso de corte. Se utiliza un interfaz en una computadora para controlar la

maquina CNC y para el ingreso de los parámetros. Se cuenta con un software CAD/CAM

para el diseño de piezas y con el código G se realiza el mecanizado. Con el programa

CAD/CAE se diseñaron las estructuras mecánicas de la máquina, también su posterior

simulación para determinar la funcionalidad de la estructura para luego fabricar el sistema de

guías y sujeción.

Con esta tesis se buscó un aporte al mercado nacional ya que el costo de adquisición y

puesta en servicio de este tipo de máquinas CNC son elevados para las MYPES.

22

Pérez (2015) en su tesis: “Diseño de una cortadora láser CNC de CO2 para acrílicos y

madera”, no requiere de una fresadora u otra herramienta de corte, en este proyecto dispone

de un tubo laser CO2 de 50W para realizar el corte, se utiliza un circuito regulador que

consta de tres circuitos análogos que energizan a los motores con 24V, al tubo laser con 30V

y a los sensores con 5V. Para el control principal utiliza la tarjeta Arduino UNO basada en el

microcontrolador ATmega 328. Los sensores utilizados son de contacto, ubicados en los

extremos de los ejes roscados. En este caso se trabajaron con motores PAP Nema 23 para

los ejes X e Y. El driver de los motores cuenta con dos puentes H, cada uno consta de dos

MOSFET canal tipo P IRF4905 y dos MOSFET canal tipo N IRF530, que tienen como

función controlar el giro de los motores de paso. En este trabajo de investigación se

muestran las propiedades del diagrama de flujo del control principal y las subrutinas.

2.1.2 Antecedentes Internacionales

Campoverde (2015) en su tesis: “Máquina (CNC) de control numérico computarizado de 3

ejes para el grabado de placas conmemorativas implementado en el taller de joyería

Campoverde”, se elaboró una máquina CNC para realizar el trabajo de grabado en placas

utilizando como herramienta un fresa en un motor de altas revoluciones, con esto se podía

hacer el grabado de números, letras y gráficos. Esta máquina CNC se conecta a un

ordenador mediante un cable USB, en ese ordenador se realiza el bosquejo por medio de un

software vectorial, para generar y obtener un archivo en “código G” de la imagen que se va a

grabar. La tarjeta de control numérico se encarga de leer el archivo generado, esta tarjeta se

conecta con el ordenador y controla el sistema eléctrico y de control por medio del software

“MACH3”, con esto se controla todo tiempo real. Cuando se ejecuta la tarjeta de control, se

23

envían señales a los controladores o drivers de los motores para poder moverlos y desplazar

los ejes de la máquina.

Quintero, Moreno, Pargas y Rodrigues, (2016) en su investigación: “Construcción e

implementación de un prototipo de router o fresado mediante control numérico

computarizado (CNC) con soporte en MACH3”, se implementó un router CNC para trabajar

una amplia variedad de materiales, mediante un ordenador que controla con precisión una

herramienta de corte para la fabricación de piezas en plástico, madera o aluminio. Se

utilizaron los programas de diseño CAD y CAM, y por medio de un coprocesador que genera

el código G, el cual carga al programa que controla el Router CNC. Se utilizaron también

motores paso a paso tamaño Nema 23 que son bipolares de 200 pasos. Se usó el programa

MACH3, que es un software que convierte a la computadora en un controlador de maquina

muy poderoso y económico, es un programa sencillo ya que permite seguir una rutina,

utilizando un archivo en AutoCAD o una imagen de mapa de bit para generar el código G-

CODE que luego ejecutará el programa. El beneficio que genera este tipo de iniciativas de

bajo costo es su fácil acceso para pequeñas empresas y emprendedores, mayor producción,

desperdicio mínimo de material por su velocidad y precisión, ahorro y menor precio de

fabricación.

Hurtado (2015) en su proyecto: “Diseño y construcción de un prototipo de fresadora-CNC”,

se desarrolló una máquina CNC previamente diseñada con el software PTC creo parametric

2.0 en donde se realizó también un montaje virtual de todos los componentes para que se

pueda corregir algunas imperfecciones de ser necesario. Luego de haber diseñado las

piezas se imprimieron en una maquina 3D, solo algunas piezas de acuerdo a su dureza

fueron fabricadas con material de metacrilado o aluminio y con una maquina CNC industrial.

24

Los motores usados en este proyecto fueron stepper cuya transmisión de movimiento fueron

realizadas por unas varillas roscadas de métrica 8, los motores son controlados con chips

Pololula A4988 que a su vez son controlados por un Arduino UNO. En cuanto a la circuitería

se realizó primero un prototipado para comprobar el funcionamiento de la máquina,

posteriormente se utilizó el programa RS Desing Spark para diseñar el circuito de

conexionado y finalmente el circuito impreso, para el diseño también se incluyó finales de

carrera a las entradas de la tarjeta Arduino UNO, esto para evitar que la maquina haga sobre

recorridos que pueden dañar los motores o hasta las piezas impresas en la estructura de la

máquina CNC.

2.2 Tecnologías/técnicas de sustento

2.2.1 Sistemas de control numérico computarizado

Este sistema es de automatización mediante un programa, en el cual la herramienta

de trabajo es controlada mediante letras, números o símbolos, estos se codifican y

ordenan en un programa de instrucciones para realizar una determinada tarea.

(Universidad Nacional de la Plata, 2004, p.2).

Entre sus aplicaciones con máquinas herramientas encontramos tornos, fresadoras,

taladros, etc. Además de máquinas para el montaje de piezas o ensambladoras.

Entonces, este sistema es operado mediante comandos programados, la función

principal de estos sistemas es controlar una herramienta completamente utilizando un

computador y el control numérico, este tipo de sistema está programado en Código G

para controlar las trayectorias y los Códigos M para las funciones. El código G ofrece

la facilidad al usuario de diseñar en diversos programas CAD, permitiendo usar

25

distintos programas computacionales, para que después sea convertido el archivo de

formato CAD o DXL a códigos G por medio de otro software (Silva, 2017, p.24).

2.2.1.1 Principio de funcionamiento

El principio es controlar el desplazamiento de la herramienta conforme al

número de ejes de coordenadas mediante un algoritmo de control programado

y ejecutado por un ordenador, se utilizan también motores eléctricos para el

desplazamiento de la herramienta en el área de trabajo, dependiendo del

requerimiento de la maquina esta puede ser desde dos ejes hasta cinco ejes y

más (Silva, 2017, p.26).

2.2.1.2 Componentes de un SCNC

Figura 1. Componentes de un SCNC

Fuente: Apunte de la cátedra E-284 Electrónica Industrial UNLP, 2004

Programa de instrucciones: se refiere a todos los comandos e

instrucciones que conforma la unidad de control para poder dirigir la

herramienta y toda la maquina automatizada.

Unidad de control: es la unidad electrónica que posee la unidad de

procesamiento y el hardware de interface.

26

Equipamiento de procesados: es el sistema electromecánico que realiza

la tarea final.

2.2.1.3 Sistema de coordenadas

Son necesarios para referir la posición de la herramienta respecto al material a

trabajar, por lo general se determina la posición en un sistema de

coordenadas (x,y,z), de acuerdo al tipo de tarea que se realiza también se

pueden utilizar los ejes rotatorios (a,b,c), estos ejes se usan cuando el material

a trabajar presenta distintas superficies y se consigue un buen trabajo de

maquinado con la herramienta (Groover, 2007, p.889).

Figura 2. Sistema de tres ejes de coordenadas


2.2.1.4 Coordenadas absolutas y relativas

Estas coordenadas se utilizan para localizar la herramienta, mediante las

coordenadas absolutas la localización se realiza mediante el origen de

coordenadas, con las coordenadas incrementales nos resulta que la siguiente

localización es de acuerdo a la localización anterior.

27

Por ejemplo:

Si requiero posicionar a la herramienta en la coordenada (x,y) = (7,9) y la

herramienta se posiciona en (x,y) = (3,6), al utilizar las coordenadas absolutas

se tendrá que indicar la coordenada (x,y) = (7,9). Y si usamos las coordenadas

incrementales deberemos indicar (x,y) = (4,3).

Los programas de CNC tienen dos tipos de instrucciones, las relativas y de

posicionamiento según el trabajo que se realiza. Incluso en el encabezado del

programa se indican la velocidad de operación, limites, alarmas, unidad de

medición, etc (Groover, 2007, p.890).

2.2.1.5 Clasificación de los sistemas de CNC

Sistema punto a punto

Con este sistema podemos controlar la posición de la herramienta, el objetivo

es posicionar la herramienta con la mayor exactitud en un punto determinado.

La velocidad y la trayectoria para desplazarlo son irrelevantes. Estas

máquinas son las más sencillas (Groover, 1997, p.926).

Figura 3. Sistema punto a punto


28

Sistema de corte directo o lineal

Son sistemas capaces de controlar los movimientos de manera paralela a los

ejes de coordenadas, sin embargo no lo hacen de manera simultánea y por

esta razón no es posible hacer movimientos angulares, con este sistema

controlamos el trayecto, velocidad y posición (Groover, 1997, p.926).

Figura 4. Sistema de corte directo


Sistemas de contorneo

Este sistema controla la velocidad y posición de los ejes simultáneamente. Ya

que la herramienta trabaja de manera simultánea con su desplazamiento a lo

largo de una trayectoria definida, es muy importante el control y

sincronizaciones de los movimientos y velocidades en sus ejes, es un proceso

complejo en su sistema y es muy utilizado en las fresadoras (Groover, 1997,

p.927).

29

Figura 5. Sistema de contorneo

Fuente: Universidad Nacional de la Plata, 2004

2.2.1.6 Sistemas de control de movimiento en CNC

Este sistema consiste en el posicionamiento de la herramienta o en el

posicionamiento de la pieza a trabajar mediante el movimiento de la mesa de

trabajo. Hay dos tipos de sistemas de control, a lazo cerrado emplea motores

de corriente continua (MCC) y a lazo abierto motores paso a paso (MPAP)

(Universidad Nacional de la Plata, 2004, p.6).

Principio de funcionamiento del MPAP

Estos tipos de motor son mayormente utilizados para posicionar cabezales de

impresora. En estos motores podemos encontrar 03 tipos, de reluctancia

variable, de imán permanente y el hibrido. En el de imán, el estator posee

muchas de bobinas en fases (Universidad Nacional de la Plata, 2004, p.6).

30

Figura 6. Motor PAP


Cuando una fase el rotor se alinea con el campo magnético producido. El

sentido del campo magnético producido depende del sentido en el que circula

la corriente por la bobina, a continuación se muestra las dos posiciones

posibles:

1. Fase A alimentada (𝐼𝐵=0): vertical SN (𝐼𝐴>0) y vertical NS (𝐼𝐴<0).

2. Fase B alimentada (𝐼𝐴=0): horizontal NS (𝐼𝐵>0) y horizontal SN (𝐼𝐵<0).

Figura 7. Funcionamiento de MPAP


31

Al energizar dos fases al mismo tiempo, el campo magnético esta en dirección

de la bisectriz, es decir, entre las dos fases y el sentido va de acuerdo a las

corrientes que circulan.

Figura 8. Funcionamiento de MPAP con dos fases energizadas


A esta posición del rotor se le llama “paso”. El número de pasos en una vuelta

del rotor es:

𝑛𝑝 = 𝑁𝑃𝑁𝐹 (Ecuación 1)

Dónde:

𝑛𝑝: numero de pasos por revolución.

𝑁𝑃: numero de polos magnéticos de cada fase.

𝑁𝐹: número de fases.

En total son cuatro cuadrantes que conforman un chopper en cada bobina.

Los choppers son controlados por un circuito de disparo y este circuito por una

lógica de control; conformando así un “driver” para MPAP. A este driver

ingresan señales lógicas: los pulsos (P) y la señal de sentido de rotación (SR).

Un pulso recibido hace que el motor gire un ángulo α, en el sentido de SR (1 o

0) (Universidad Nacional de la Plata, 2004, p.8).

32

Figura 9. Controlador de MPAP


Se deduce que cuando al driver ingresan un número de pulsos P, el MPAP

girará un ángulo:

𝜃 = 𝑃. 𝛼 (Ecuación 2)

Sistemas de control de movimiento a lazo abierto

En este sistema se usan motores MPAP. La última posición depende del

número de pulsos ingresados al componente que controla el MPAP, por lo

tanto cada pulso hace que el MPAP gire un ángulo de paso (Groover, 1997,

p.929).

La figura que se muestra a continuación muestra el sistema para poder

controlar la posición de una mesa en un eje. Observamos un MPAP conectado

con un driver. Al mismo tiempo un convertidor es el que compone al driver,

además de una lógica de control y un circuito de disparo. Mediante una

cantidad de pulsos secuenciales y una señal de dirección vamos a indicar el

sentido al que va a girar el motor, con esto el eje del motor que está unido a

un tornillo sin fin, lo hace girar de manera directa por medio de engranajes.

Este movimiento giratorio del tornillo hace que un cubo roscado se traslade

33

linealmente. La mesa que está unida a este cubo se desplaza también de

manera lineal.

Figura 10. Sistema de control de movimiento a lazo abierto


Desplazamiento neto de la herramienta (tornillo directamente

acoplado al motor)

El paso del tornillo (mm) es el que determina el desplazamiento de la

herramienta, el ángulo total de giro del eje del motor (θ).

Figura 11. Paso de un tornillo


34

La posición final de la herramienta es:

𝑋𝑓 = 𝑃𝑇.𝜃

360+ 𝑋𝑖 (Ecuación 3)

El desplazamiento de la herramienta es la diferencia entre la posición final y la

inicial, es decir que se puede calcular el desplazamiento como:

∆𝑋 = 𝑃𝑇.(𝑃.𝛼)

360=

𝑃𝑇.𝑃

𝑛𝑃 (Ecuación 4)

Dónde, y 𝑛𝑃 tienen valores fijos (caracteristicos del motor), mientras que la

cantidad de pulsos (P) es variable. El desplazamiento mínimo de la mesa

(P=1) queda determinado por las características del motor y el paso del

tornillo, para este caso es:

∆𝑋𝑚𝑖𝑛 = 𝑃𝑇.𝛼

360=

𝑃𝑇

𝑛𝑃 (Ecuación 5)

Desplazamiento neto de la herramienta (tornillo acoplado al motor

mediante un tren de engranajes)

Se utilizan cajas de poleas dentadas o engranajes para hacer que el

desplazamiento mínimo disminuya, en estos casos el engranaje más pequeño

es movido por el motor. (Universidad Nacional de la Plata, 2004, p.11).

Figura 12. Sistema de desplazamiento mediante engranajes


35

De las relaciones entre velocidades tangenciales y angulares:

𝑉1 = 𝑤1. 𝑑1 (Ecuación 6)

𝑉2 = 𝑤2. 𝑑2 (Ecuación 7)

Dónde:

𝑉1 y 𝑉2 : velocidad tangencial de los engranajes del eje del motor y del tornillo

respectivamente,

𝑤1 y 𝑤2: velocidad angular del eje del motor y del tornillo respectivamente,

𝑑1 y 𝑑2: diámetro del disco de engranajes del motor y del tornillo

respectivamente, Teniendo en cuenta además, que las velocidades

tangenciales 𝑉1 y 𝑉2 son iguales, y que 𝑤 = 𝑑𝜃/𝑑𝑡, se puede obtener el

desplazamiento de la herramienta para este caso:

∆𝑋 = 𝑃𝑇.𝜃2

360 =

𝑃𝑇.𝜃1

360 =

𝑑1

𝑑2 (Ecuación 8)

O bien:

∆𝑋 = 𝑃𝑇.(𝑃.𝛼)

360.

𝑑1

𝑑2 =

𝑃𝑇.𝑃

𝑛𝑝 .

𝑑1

𝑑2 (Ecuación 9)

El desplazamiento mínimo para este caso es:

∆𝑋𝑚𝑖𝑛 = 𝑃𝑇.𝛼

360.

𝑑1

𝑑2=

𝑃𝑇

𝑛𝑃.

𝑑1

𝑑2 (Ecuación 10)

En esta ecuación observamos que el desplazamiento mínimo disminuye al

acoplar el tornillo sin fin al motor a través de un tren de engranajes, mientras

que el factor de disminución es la relación entre los diámetros de los discos de

engranajes (Universidad Nacional de la Plata, 2004, p.12).

Vida nominal del husillo de bolas (𝑳𝟏𝟎)

Da a conocer en número de revoluciones que alcanza a dar el husillo antes de

que muestre señales de fatiga en la superficie.

36

𝐿10 = (𝐶𝑎

𝐹𝑚)

3 (Ecuación 11)

Dónde: 𝐶𝑎 es la capacidad de carga dinámica y 𝐹𝑚 es la carga cubica media.

Velocidad critica del husillo de bolas (𝒏𝒄𝒓)

Determina la velocidad límite que debe girar el husillo para transmitir

movimiento.

𝑛𝑐𝑟 = 49𝑥106𝑥𝑓1𝑥𝑑2

𝑙2 (Ecuación 12)

Dónde: 𝑙 es la longitud libre del husillo, 𝑑2 es el diámetro del husillo y 𝑓1 es el

factor de corrección dado por el fabricante.

2.2.1.7 Aplicación por excelencia de los SCNC

El maquinado es uno de los trabajos más conocidos, es un trabajo de

manufactura en donde la pieza que se trabaja es modificada por la remoción

del material en exceso. Este proceso de remoción es consecuencia del

movimiento relativo entre la herramienta de trabajo y la pieza que se está

modificando. Debido a este movimiento obtenemos la geometría que

queremos. Los otros procesos más comunes son: torneado, taladrado,

fresado, y cepillado o devastado (Groover, 2007, p.899).

Algunas especificaciones para obtener buenos resultados, además de alargar

la vida útil de la herramienta de trabajo tenemos por ejemplo.

Velocidad de corte (Vc): es la distancia en pies que la superficie de la pieza

de trabajo o filo de corte recorren en un minuto. Se mide en pies superficiales

por minuto (sfpm).

37

Avance por revolución (F): es la distancia lineal que la herramienta avanza

durante una rotación de la pieza de trabajo o herramienta de corte. En la

fresadora, el avance por revolución (feed per revolution) puede utilizarse para

convertir el avance por diente ya sea a pulgadas por minuto o a milímetros por

minuto.

Profundidad de corte (d): es el espesor de material removido en una pasada

de la herramienta de corte.

2.2.1.8 Fórmulas para el fresado

El proceso de fresado es un trabajo de maquinado en donde una herramienta

de trabajo de forma cilíndrica con múltiples bordes rota y es pasada por la

pieza de trabajo que se quiere modificar, la rotación de esta herramienta es

perpendicular a la dirección de avance.

En este proceso la herramienta es una fresa y los bordes cortantes se llaman

dientes (Universidad Nacional de la Plata, 2004, p.20).

Figura 13. Operación de fresado


38

Las fórmulas que se muestran a continuación son tomadas del libro

Tecnología de mecanizado de metal (Sandvik, 2017, p.5).

Velocidad de corte (𝑽𝒄)

La velocidad de rotación y la velocidad de corte se relacionan mediante:

𝑉𝑐 [𝑚

𝑚𝑖𝑛] =

𝐷𝑐 . 𝜋 . 𝑛

1000 (Ecuación 13)

Dónde:

𝑛: número máximo de revoluciones del motor de la herramienta [RPM]

𝐷𝑐: diámetro del corte de la fresa en milímetros

Velocidad del husillo (𝒏)

La velocidad de corte y la de rotación se relacionan mediante:

𝑛[𝑟𝑝𝑚] = (𝑉𝑐)(1000)

(𝜋)(𝐷𝑐) (Ecuación 14)

Dónde:

𝑛: número máximo de revoluciones del motor de la herramienta

𝑉𝑐: velocidad de corte


Velocidad de avance de mesa (𝑽𝒇)

Corresponde a la velocidad que avanza la herramienta de corte con respecto a

la pieza en el plano X-Y

𝑉𝑓 [𝑚𝑚

𝑚𝑖𝑛] = 𝑓𝑧 . 𝑛 . 𝑍𝑐 (Ecuación 15)

Dónde:

𝑓𝑧: avance por diente

39

𝑛: número máximo de revoluciones del motor de la herramienta [RPM]

𝑍𝑐: número de dientes de la fresa

Profundidad de corte radial (𝒂𝒆)

𝑎𝑒[𝑚𝑚] =3

4. 𝐷𝑐 (Ecuación 16)

Dónde:


Espesor medio de la viruta (𝒉𝒎)

ℎ𝑚[𝑚𝑚] = 360 . sen(𝑘𝑟) . 𝑎𝑒 . 𝑓𝑧

(𝜋)(𝐷𝑐) . 𝑎𝑟𝑐𝑜𝑠(1−2.𝑎𝑒𝐷𝑐

) (Ecuación 17)

Dónde:

𝑘𝑟: ángulo de posición

𝑎𝑒: profundidad de corte radial

𝑓𝑧: avance por diente (dato del fabricante)


Fuerza de corte especifica (𝒌𝒄)

𝑘𝑐 [𝑁

𝑚𝑚2] = 𝑘𝑐1. ℎ𝑚−𝑚𝑐 . (1 −

𝑦0

100) (Ecuación 18)

Dónde:

𝑘𝑐1: fuerza de corte específica para un espesor medio del viruta de 1mm

ℎ𝑚: espesor medio de la viruta

𝑚𝑐: factor de compensación del grosor de la viruta

𝑦0: ángulo de desprendimiento de la plaquita

40

Potencia neta (𝑷𝒄)

𝑃𝑐[𝑘𝑤] =𝑎𝑝 . 𝑎𝑒 . 𝑉𝑓 . 𝑘𝑐

60 (106) (Ecuación 19)

Dónde:

𝑎𝑝: profundidad de corte axial

𝑎𝑒: profundidad de corte radial

𝑉𝑓: avance de mesa

𝑘𝑐: fuerza de corte especifica

Par de apriete (𝑴𝒄)

𝑀𝑐[𝑁𝑚] = 𝑃𝑐 . 30 . 103

𝜋 . 𝑛 (Ecuación 20)

Dónde:

𝑃𝑐: potencia neta

𝑛: velocidad del husillo

Área de corte (𝑨𝒄)

𝐴𝑐[𝑚𝑚2] = 𝑎𝑝 . ℎ𝑚 (Ecuación 21)

Dónde:

𝑎𝑝: profundidad de corte axial

ℎ𝑚: espesor medio de la viruta

41

Fuerza de corte (𝑭𝒄)

𝐹𝑐[𝑁] = 𝑘𝑐 . 𝑎𝑐 (Ecuación 22)

Dónde:

𝑘𝑐: fuerza de corte especifica

𝑎𝑐: área de corte

2.2.2 Programación de control numérico

Existen programas CAM (Mecanizado Asistido por Ordenador), versátiles, rápidos y

potentes, pero realizar una modificación a pie de máquina es mucho más rápido que

realizar el proceso desde el ordenador, naturalmente el operario que no conozca el

lenguaje de programación de su máquina, no realizará la tarea que desea (Molina,

2012, p.43).

2.2.2.1 Estructura de la programación

Un programa es una sucesión de procesos que se ejecutan en un orden lógico

y establecido por el programador, de acuerdo a las condiciones del sistema.

Los programas se componen de bloques sucesivos, cada bloque está

conformado por instrucciones. Estos bloques podrían estar numerados o no,

en caso de no estar enumerados, las instrucciones se ejecutan en el orden en

que se vayan encontrando (Molina, 2012, p.43).

La numeración debe ser creciente, si hay alguno menor al anterior, el control

detiene la ejecución del programa.

42

Figura 14. Estructura de un bloque de programación

Fuente: Molina P. (2012)

En cualquier programa CNC, se distinguen dos grupos de información:

Datos geométricos

o Datos dimensionales del contorno final

o Descripción de los movimientos de la herramienta

o Posicionamiento en el área de trabajo del cero y puntos de referencia

necesarios

Datos tecnológicos

o Datos de la herramienta

o Condiciones de corte (velocidad, avance, etc.)

o Funciones auxiliares de máquina (refrigeración, giros, etc.)

La programación según el tipo de estructura puede ser:

43

Programación estructural

Es el tipo de programación que se utiliza siguiendo una tabla o estructura de

forma más o menos cerrada. Este sistema de programación se utiliza poco,

pero algunos de los fabricantes de controles más importantes han optado por

este sistema.

Programación abierta

Es el más utilizado por los fabricantes de controles y el más aplicado en la

programación del prototipo de la máquina. Este tipo de programación es un

sistema abierto, es decir, se pueden escribir líneas con dos caracteres o con

hasta 250 caracteres.

2.2.2.2 Códigos de control numérico para la fresadora

Para este trabajo hay diferentes formas de programación en códigos G y M, la

ISO ofrece una estandarización.

Tabla 1

Lista de códigos generales “G”

Códigos Generales “G”

G00 Posicionamiento rápido G01 Interpolación linear G02 Interpolación circular G03 Interpolación circular anti horaria G04 Compás de espera G15 Programación en coordenadas polares G20 Comienzo de uso de unidades imperiales G21 Comienzo de uso de unidades métricas G28 Volver al home de la máquina G40 Cancelar compensación de radio de curvatura de herramienta G41 Cancelar compensación de radio de herramienta a la izquierda G42 Cancelar compensación de radio de herramienta a la derecha G50 Cambio de escala G68 Rotación de coordenadas G73 Ciclos encajonados G74 Perforado con ciclo de giro anti horario para descargar virutas

44

G76 Alesado fino G80 Cancelar ciclo encajonado G81 Taladrado G82 Taladrado con giro anti horario G83 Taladrado profundo con ciclos de retracción para G90 Coordenadas absolutas G91 Coordenadas relativas G92 Desplazamiento del área de trabajo G94 Velocidad de corte expresada en avance por minuto G95 Velocidad de corte expresada en avance por revolución G98 Retorno a nivel inicial G99 Retorno a nivel R

G107 Programación del 4to eje


Tabla 2

Lista de códigos misceláneos “M”

Códigos Misceláneos “M”

M00 Parada M01 Parada opcional M02 Reset del programa M03 Hacer girar el husillo en sentido horario M04 Hacer girar el husillo en sentido anti horario M05 Frenar el husillo M06 Cambiar de herramienta M08 Abrir el paso del refrigerante M09 Cerrar el paso de los refrigerantes M10 Abrir mordazas M11 Cerrar mordazas M13 Hacer girar el husillo en sentido horario y abrir el paso de refrigerante M14 Hacer girar el husillo en sentido anti horario y abrir el paso de refrigerante M30 Finalizar programa y poner el puntero de ejecución en su inicio M38 Abrir la guarda M39 Cerrar la guarda M62 Activar salida auxiliar 1 M67 Esperar hasta que la entrada 2 esté en ON M71 Activar el espejo en Y M80 Desactivar el espejo en X M81 Desactivar el espejo en Y M98 Llamada a subprograma M99 Retorno de subprograma


45

CAPÍTULO 3

DESARROLLO DE LA SOLUCIÓN

3.1 Metodología propuesta

Para la gestión del presente proyecto se trabaja en base a la siguiente estructura de trabajo.

La estructura está conformada por tres etapas principales, como se muestra en la imagen

siguiente de color rojo. En la etapa de diseño lo que se busca es obtener como resultado el

diseño de las partes principelas del ruteador y su definición funcional. En la siguiente etapa

se pretende integrar todas las partes físicas y funcionales de la máquina, tanto el de

monitoreo y de control, así como la configuración del software. Y en la última etapa que es la

de pruebas y validación, se realizarán mediante un protocolo de pruebas de manera unitaria

e integral para lograr finalmente la validación de ruteador CNC.

46

Figura 15. Estructura de trabajo

Fuente: Elaboración propia

47

3.2 Cronograma de actividades

Para la realización del presente proyecto se trabaja en base al siguiente cronograma de

actividades que dura un año.

Tabla 3

Cronograma de actividades

DISEÑO E IMPLEMENTACION DE UN RUTEADOR CNC DE TRES EJES PARA LA MEJORA EN EL PROCESO DE DESARROLLO DE ROBOTS EDUCATIVOS EN LA

EMPRESA CIDIACCTEC

Actividades Meses

Resultados 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Diseño de la estructura

Definición de la funcionalidad

- Esquema de funcionalidades y características. - Modelo de diseño del ruteador.

Diseño de la estructura

Diseño del sistema de monitoreo

Diseño del sistema de control

Implementación y ensamblaje Resultados

Implementación de la estructura

-Modelo físico del ruteador ensamblado y funcional.

Ensamblaje del sistema de monitoreo

Ensamblaje del sistema de control

Instalación y configuración del software

Pruebas y validación Resultados

Protocolo de pruebas -Ruteador CNC validado

Pruebas unitarias

Pruebas integrales Fuente: Elaboración propia

48

3.3 Modelo de diseño

3.3.1 Definición de la funcionalidad del ruteador CNC

En la siguiente figura se muestran las funciones requeridas del ruteador, así también

los materiales con los que la maquina va a trabajar. Además de algunos aspectos a

considerar para el diseño del ruteador, como el área de trabajo, velocidad de los

motores, potencia de los motores, etc.

Figura 16. Funcionalidad del ruteador CNC


49

Las características mecánicas se basan en el fresado, para esto utilizaremos

una fresa, que es una herramienta cilíndrica parecida a una broca, sin punta

cónica. La fresa en muy útil para superficies planas y para hacer agujeros de

cualquier forma en cualquier material.

Algunos trabajos que podemos realizar con esta herramienta son:

o Ranurado: En este proceso la fresa hace el desbastado de la superficie

hasta un nivel deseado.

o Taladrado: En este proceso se trabaja con el eje vertical, es decir, el eje Z.

Podemos utilizar la fresa como si fuera una broca, pero teniendo cuidado

de no romperlas.

o Mandrinado: Con este procedimiento se puede mejorar la calidad

superficial de los agujeros que realizamos, claro que con menor calidad al

de un escariado convencional.

3.3.1.1 Partes del ruteador CNC

En la siguiente figura podemos apreciar la composición de una máquina

ruteadora CNC y sus principales procesos que puede realizar.

50

Figura 17. Partes de un ruteador y sus actividades


A continuación se describen algunos aspectos para tener en cuenta en cada

módulo del ruteador.

RUTEADOR CNC DE TRES EJES

MECANICA ELECTRONICA SOFTWARE

Estructura

Diseño

Montaje

Herramienta de fresado

Acoples para ejes

Husillos y guías

Consolidado de planos de diseño,

fabricación y montaje

Pruebas unitarias de operación

Tarjeta controladora

Sistema de control para motores

Sistema de potencia para motores

Cableado

Actuadores y sensores

Motores

Hojas técnicas de fabricantes

Pruebas unitarias de operación

Evaluación de software

Configuración de software

Personalización de software para el

usuario

Documentación de software

Pruebas de sistema

51

Sistema de energía del ruteador CNC

Sistema de protección eléctrica del sistema de energía del ruteador CNC.

Selección del sistema de energía del ruteador CNC.

Conexión del sistema de energía del ruteador CNC.

Validación del sistema de energía del ruteador CNC.

Sistema de monitoreo del ruteador CNC

Protocolo de comunicación entre el Software de Usuario con el ruteador

CNC.

Configuración de la Interfaz Gráfica para el usuario del ruteador CNC.

Configuración del sistema de monitoreo del ruteador CNC.

Validación del sistema de monitoreo del ruteador CNC.

Sistema de control del ruteador CNC

Software del sistema de control

o Protocolo de comunicación entre el Software de Usuario con el

ruteador CNC (Slave).

o Configuración del sistema embebido del ruteador CNC.

o Validación funcional del software del ruteador CNC.

Hardware del sistema de control

o Selección de componentes para el hardware del ruteador CNC.

o Circuitería para el control de motores del ruteador CNC.

o Circuitería de interfaz para adquisición de datos de los sensores del

ruteador CNC.

o Circuitería de protección para el hardware del ruteador CNC.

52

o Fabricación del hardware del ruteador CNC.

o Validación funcional del hardware del ruteador CNC.

Estructura metal-mecánica para el ruteador CNC

Modelamiento de la estructura mecánica del ruteador en un software 3D.

Diseño de planos para la estructura mecánica.

Selección de componentes para la estructura mecánica.

Construcción y ensamblaje de la estructura mecánica.

Validación funcional de la estructura mecánica del ruteador CNC.

3.3.2 Diseño de la estructura del ruteador CNC

3.3.2.1 Diseño mecánico de la estructura

Para el diseño mecánico fue muy importante el modelamiento en 3D,

utilizando los programas Sketchup 2015 y V-Ray, se partió de la configuración

de una fresadora de puente para tres ejes con base fija.

Figura 18. Modelado del CNC


53

3.3.2.2 Diseño mecánico del área de trabajo

Hemos partido de la configuración de una fresadora de puente para tres ejes

con base fija. Dado el volumen y peso de la estructura (1000mm x 1000mm de

área aproximada) requerimos utilizar dos ejes motrices (y respectivos motores)

para el eje X longitudinal, el cual soportará la estructura del puente y la

herramienta.

Figura 19. Área de trabajo


El eje X es el eje longitudinal, base para los ejes Y y Z. Presenta una armazón

en aluminio unida por piezas de sujeción, cuatro bases en extremos unidas

con pernos sockets, dos guías correderas para desplazamiento y dos husillos

de bolas que proporcionan el eje de movimiento lineal.

54

Figura 20. Eje X de la estructura


El eje Y es la estructura de puente con un cuerpo principal en perfil de

aluminio estructural y dos guías longitudinales. Presentan dos juegos dobles

de rodamientos lineales semicerrados que se desplazarán sobre las guías del

eje X, los laterales son piezas de aluminio con un diseño inclinado para

balancear el centro de masa del puente incluido el eje Z y la herramienta de

corte.

Figura 21. Eje Y de la estructura


55

El eje Z y soporte de herramienta: Es el eje final de desplazamiento vertical

que emplea dos guías de traslado, un husillo principal central unido al eje del

motor con una pieza de acople mecánico. Emplea dos juegos dobles de

rodamientos lineales semicerrados para desplazamiento horizontal y dos

juegos de rodamientos lineales cerrados para el eje vertical. La herramienta de

corte se ubica sobre un soporte dedicado con un graduador de precisión para

sujetarla.

Figura 22. Eje Z de la estructura


56

Tabla 4

Características de la estructura

CARACTERÍSTICA DESCRIPCIÓN

Dimensiones del ruteador 108cm de largo 94cm de ancho 60cm de alto

Área de trabajo 80cm de largo 70cm de ancho 20cm de alto

Numero de ejes Funcionamiento con 3 ejes Precisión 0.05mm Herramienta Desmontable para poder usarse de

manera manual si es conveniente Estructura Desmontable para su traslado


3.3.3 Componentes y diseño del sistema de monitoreo y control

3.3.3.1 Diagrama de control de motores

La conexión de los motores es como se muestra en la siguiente imagen, los

motores son conectados a sus respectivos drivers y estos serán controlados a

su vez por una tarjeta controladora. Tanto drivers como la tarjeta controladora

estarán alimentadas por un módulo de energía.

57

Figura 23. Diagrama de control de motores


3.3.3.2 Controlador DB25-1205 breakout board

Es el encargado de convertir las señales enviadas por la PC a niveles de

voltaje adecuados para controlar los pasos y el sentido de giro de los motores.

Existen controladores de gran capacidad y muy costosos, por lo que

requeríamos de uno que sea económico y con los suficientes pines de entrada

y salida para la conexión de los componentes.

58

Tabla 5

Comparación de los dispositivos de control

Criterios de selección

DB25-1205 Breakout board

USB CNC motion controller

Funcionamiento Por puerto paralelo Por puerto USB

Pines 12 pines de salida; control de motores y herramienta. 5 pines de entrada; fin de carrera, pulsadores

16 pines de salida; conexión de motores, sentido de giro de la herramienta. 14 pines de entrada; interruptores limites, botones de paro

Conexiones Hasta 6 ejes Hasta 4 ejes

Costo Bajo Medio


Se decidió por el DB25 Breakout board, además como se mencionó el DB25

Breakout board posee la opción de conectar más ejes por lo que queda la

posibilidad de mejorar este ruteador, además que cuenta con los pines

necesarios para el correcto funcionamiento del ruteador.

Las características del DB25 Breakout board son:

Conector Macho DB25.

Pines de Salida: P1, P2, P3, P4, P5, P6, P7, P8, P9, P14, P16, P17.

Pines de Entrada: P10, P11, P12, P13, P15.

GND Pin: P18-P25.

Fuente de Poder: 5 VDC.

Opto acopladores de Clase C de alta calidad.

59

Figura 24. DB25-1205 breakout board


3.3.3.3 Driver DQ542MA para motor PAP

Es el encargado de convertir los niveles de voltaje enviados por el adaptador a

niveles de voltaje adecuados para el motor y poder controlar su velocidad,

sentido de giro y la cantidad de pasos.

Debido a su gran precisión con su sistema de micropasos, además de

proporcionar la corriente necesaria para los motores que se van a usar, se

optó por usar el driver DQ542MA.

60

Figura 25. Driver DQ542MA


Sus características son:

o Alto rendimiento, bajo precio.

o Control de corriente media, la corriente de salida senoidal de 2 fases.

o La tensión de alimentación de 18 VDC a 50 VDC.

o Opto-aislado señal de E/S.

o Sobre voltaje, bajo voltaje, overcurrect, protección contra cortocircuito.

o 15 subdivisión de canales y la reducción modo sleep.

o 8 canales de ajuste de corriente de fase de salida.

o Terminal de entrada de comandos en línea.

o Alta velocidad de inicio

o Alto par de retención a alta velocidad.

Sus especificaciones eléctricas son:

o Voltaje de entrada: 18-50VDC

o Corriente de entrada menor a 4A y corriente de salida de 1.0A ~ 4.2A

61

o Consumo: 80 W

o Temperatura: temperatura de trabajo -10 ~ 45°C y stocking

temperatura -40°c ~ 70°c

o Peso: 300 g

Tabla 6

Descripción de los pines

FUNCIÓN DE LOS PINES DETALLES

PUL+ PUL- Señal de pulso, PUL+ es el final positivo del pulso de entrada del pin, PUL- es el final negativo del pulso de entrada del pin

DIR+ DIR- Señal DIR: DIR+ es el final positivo del pin de entrada dirección, DIR- es el final negativo del pin de entrada dirección

ENBL+ Señal Enable: ENBL+ ENBL- Señal Enable: ENBL-

Fuente: Orellano L. (2016)

Los parámetros de configuración están definidos por:

Resolución del paso

Se establece por SW 5, 6, 7, 8 del interruptor DIP como se muestra en la

siguiente tabla:

Tabla 7

Resolución de los pasos

SW5 OFF ON OFF ON ON ON OFF SW6 ON OFF OFF ON OFF OFF OFF SW7 ON ON ON OFF OFF OFF OFF SW8 ON ON ON ON ON ON ON

PULSO/REV 400 800 1600 3200 6400 12800 25600


62

Tabla 8

Configuración de resolución de los pasos

SW5 OFF OFF ON OFF ON OFF ON OFF SW6 ON ON OFF OFF ON ON OFF OFF SW7 ON ON ON ON OFF OFF OFF OFF SW8 OFF OFF OFF OFF OFF OFF OFF OFF

PULSO/REV 1000 2000 4000 5000 8000 10000 20000 25000


Ajuste de corriente de salida

Los tres primeros bits (SW 1, 2, 3) del interruptor DIP se utilizan para fijar la

corriente dinámica. Se selecciona un ajuste más cercano al motor de corriente

requerida.

Tabla 9

Corrientes de salida

SALIDA DE CORRIENTE EN AMPERIOS

SW1 SW2 SW3 PICO RMS

ON ON ON 1.00 0.71 OFF ON ON 1.46 1.04 ON OFF ON 1.91 1.36 OFF OFF ON 2.37 1.69 ON ON OFF 2.84 2.03 OFF ON OFF 3.31 2.36 ON OFF OFF 3.76 2.69 OFF OFF OFF 4.20 3.00


Función semi-flujo

La función semi-flujo sucede cuando no hay un paso después de 500ms, la

corriente de salida del controlador reduce automáticamente a 70% de la

corriente nominal de salida, que se utiliza para evitar que el motor se caliente.

63

Ajustes de corriente de parada

SW4 se utiliza para este propósito. OFF significa que la corriente de parada

está dispuesta a ser la mitad de lo seleccionado dinámica actual y significa en

qué punto muerto se establece para que sea la misma que la dinámica de

corriente seleccionado.

Conexiones de alimentación

o + V, GND: fuente de alimentación.

o + V: Fuente de alimentación, 18 ~ 50 VDC, incluyendo la fluctuación de la

tensión y la tensión EMF. La máxima corriente es 5A.

o A+ A- B+ B-: Conexión de 2 motores paso a paso de fase.

o El conductor y la conexión de cuatro hilos de utilización híbrida para motor

paso a paso de 2 fases, el motor puede ser conectado en paralelo y serie

bipolar. En cuanto a la conexión bipolar, es un mayor rendimiento con alta

velocidad, pero la corriente del conductor es más grande (que es 1,73

veces más que la corriente de bobinado del motor).

o Conexión en serie, la corriente del driver es igual al bobinado del motor.

Fijación

No debe ser de 20 mm de espacio, no se puede colocar junto a otros aparatos

de calefacción, para evitar polvo, niebla de aceite, gases corrosivos, humedad

y lugares de vibraciones fuertes.

64

Tabla 10

Tabla de errores

INDICADORES DE ALARMA CAUSAS MEDIDAS

Led apagado

Error de conexión en la alimentación

Verificar el cable de alimentación

Bajo nivel de voltaje de alimentación

Aumentar el voltaje de alimentación

Motor no corre sin torque de mantenimiento

Error en la conexión del motor paso a paso

Corregir su cableado

Señal de reset es efectiva cuando se apaga

Hacer reset inefectivo

Motor no corre sin mantener el torque de mantenimiento

Sin señal de pulso en la entrada

Ajustar PWM y el nivel de la señal

Motor corre en dirección equivocada

Conexión de cable errada Cambia la conexión de cualquiera de los cables

Error en la señal de dirección

Cambia la configuración de dirección

El torque de mantenimiento del motor es pequeño

Demasiado pequeño en relación a la corriente de ajuste

Ajuste de corriente nominal correcta

Aceleración es demasiado rápido

Reducir la aceleración

Motor se bloquea Descartar un fallo mecánico

Controlador no coincide con el motor

Cambiar un controlador adecuado


65

3.3.3.4 Motor paso a paso Nema23 WT57STH115-4204A

Para este ruteador se pensó en dos opciones, servomotores o motores paso a

paso. Los criterios para seleccionar uno de estos son el torque y el modo de

trabajo.

Tabla 11

Comparación de los motores


Motor paso a paso Servomotor

Funcionamiento El motor gira por las bobinas excitadas ubicadas en el estator

Se activa mediante modulación de ancho de pulso, sensor acoplado para la realimentación

Precisión Alta, en posicionamiento y regulación de velocidad

Gran precisión, repetitividad de movimiento y elevada respuesta dinámica

Facilidad de uso Conexión a un controlador, movimiento de un paso a la vez por cada pulso

Requiere un controlador sofisticado

Torque Alto torque desde el arranque hasta 200 kgf/cm

Alta estabilidad, hasta 70 Nm

Costo Medio Alto


Los servomotores tienen un bajo torque a baja velocidad y un buen torque a

alta velocidad, son mucho más costosos que los motores PAP y en su mayoría

se usan para los sistemas de lazo cerrado.

Mientras que los MPAP tienen un buen torque a baja velocidad y en

velocidades altas pierden torque, sin embargo son más económicos y pueden

ser usados en sistemas de lazo cerrado y abierto.

66

Por lo tanto optamos por motores paso a paso por ser de alto torque y

precisión en bajas revoluciones, además son más fáciles de controlar, para

este ruteador se optó por los motores Nema23 WT57STH115-4204A que

tienen las siguientes características.

o Angulo de paso: 1.8°

o Voltaje: 3.78V

o Corriente: 4.2A

o Aumento de temperatura: 80°C máximo

o Peso: 1.5Kg

o Torque: 30 Kg/cm

Más características del motor paso a paso podremos apreciar en el anexo 4.

Figura 26. Motor PAP Nema23 WT57STH115-4204A


67

3.3.3.5 Sistema de transmisión

Se selecciona un sistema de transmisión para poder mover los ejes y obtener

un correcto rendimiento del ruteador CNC. Para este sistema requerimos de

los siguientes componentes:

Husillos de precisión SND/BND de bolas

Convierte el movimiento rotatorio en rectilíneo, realiza una movimiento suave y

es preciso en su desplazamiento, se requiere una herramienta de fácil montaje

y de bajo costo.

Tabla 12

Comparación de los sistemas de transmisión


Husillo de bolas Tornillo de potencia

Piñón Cremallera

Funcionamiento Rozamiento mínimo entre husillo y bolas circulantes

Rozamiento alto entre eje y tuerca, calentamiento y desgaste

Movimiento reversible

Precisión Alta, hasta 250 nm por cm

Error de paso de 300um por cada 300mm

Error de paso individual de 0.008mm

Montaje Soportes fácil de colocar

Requiere fabricación de soportes

Requiere tiempo en la preparación de la zona de montaje

Costo Medio Bajo Alto


Seleccionamos el husillo de la marca SFK y de la serie SND/BND 16x5 R, es

una tuerca de fácil montaje, sus insertos de recirculación de acero pueden

actuar como dispositivo de seguridad en condiciones severas. Diámetro

nominal de 16mm, paso o avance por revolución Ph de 5mm y capacidad de

68

carga dinámica de 7.8KN. Más detalles sobre sus características técnicas lo

podemos apreciar en el anexo 5.

Vida nominal (𝑳𝟏𝟎)

𝐿10 = (𝐶𝑎

𝐹𝑚)

3

𝐿10 = (7800

200)

3

𝐿10 = 59319 𝑚𝑖𝑙𝑙𝑜𝑛𝑒𝑠 𝑑𝑒 𝑟𝑒𝑣𝑜𝑙𝑢𝑐𝑖𝑜𝑛𝑒𝑠

Velocidad critica (𝒏𝒄𝒓)

𝑛𝑐𝑟 = 49𝑥106𝑥𝑓1𝑥𝑑2

𝑙2

𝑛𝑐𝑟 = 49𝑥106𝑥0.8𝑥16

10002

𝑛𝑐𝑟 = 627 𝑅𝑃𝑀

Dónde: 𝑙 es la longitud libre del husillo, 𝑑2 es el diámetro del husillo y 𝑓1 es el

factor de corrección dado por el fabricante.

Guías con patines LLT

Se requiere un sistema estructural de cabeza móvil para que la mesa sea fija,

que soporte una buena carga, que sea fácil de montar y no produzca ruido.

69

Tabla 13

Comparación de los sistemas de movimiento lineal


Guías con patines Round Rail

Funcionamiento Silencioso, poco rozamiento entre cuerpos deslizantes

Rodamiento de bolas, mayor apoyo hacia la riel, bajo ruido

Precisión Gran estabilidad, movimientos precisos, capacidad de carga alta

La rigidez es mayor, movimiento suave y preciso

Montaje Fácil de montar en horizontal y vertical

Realización de agujeros en la estructura

Costo Medio Alto


Para este ruteador se seleccionaron las guías con patines de la serie LLT de

la marca SKF y unos carros de la misma marca de modelo LLTHC 20 LA TO

P5 de tamaño 20 cuyas características lo podemos apreciar en el anexo 6.

En cuanto a las guías se necesitan las del modelo LLTHR 20 D4 cuyas

características se puede mostrar en el anexo 7.

3.3.3.6 Interruptor de acción rápida SS-10GL2

Son sensores de accionamiento mecánico y detectan la posición de un

elemento móvil mediante un interruptor. El ruteador tiene fines de carrera en

los finales de los ejes X, Y y Z esto lo usa para poder ubicar su posición de

inicio al momento de tallar una pieza nueva. Estos fines de carrera van

conectados a las entradas de la tarjeta controladora DB25-1205 para que

pueda ser enviado al software.

Sus características son:

Entregan una señal eléctrica al ser accionados.

70

Se utilizan para censar la posición de un móvil.

Son conocidos como "interruptores de final de carrera", ya que definen el

final del recorrido de un objeto móvil.

Consta de contactos internos y el cuerpo que detecta el movimiento.

Los interruptores que usaremos para el ruteador serán los fabricados por

OMROM Corporation de serie SS y modelo SS-10GL2, funcionan hasta con

250VAC y pueden soportar hasta 10A, tiene tres terminales los cuales son,

NC normalmente cerrado, NO normalmente abierto y COM para el nodo de

voltaje.

Figura 27. Interruptor de acción rápida SS-10GL2


3.3.3.7 Motor DWALT DPW611

Este componente es esencial en el ruteador para el trabajo que va a realizar,

los demás sistemas controlan la ubicación de este motor, es decir, donde debe

ir, que tan rápido debe moverse o cuando debe encenderse.

71

Para este ruteador se necesita de un motor que tiene la característica de

realizar giros a gran velocidad, para el presente caso se utilizará para realizar

corte y fresado de materiales blandos, para esto necesitamos seleccionar un

motor con los siguientes criterios.

De acuerdo a la dureza del material a trabajar se requiere un motor de baja

potencia, ya que así se trabaje con una madera dura no se requiere

demasiado torque. Además para los materiales blandos necesitamos altas

revoluciones. Este motor debe generar altas revoluciones y por lo tanto mucha

fricción, entonces también se necesita que tenga un sistema de refrigeración

por aire ya que requiere menos mantenimiento.

En la siguiente tabla se muestran los parámetros para el proceso de fresado

que se requiere y que nos ayudará a elegir el motor herramienta más

adecuado para nuestro ruteador.

Tabla 14

Parámetros para el proceso de fresado de nuestro ruteador

Parámetros Datos

Velocidad de corte 425 m/min Diámetro de la fresa 6 mm Avance por diente 0.3 mm Numero de dientes de la fresa 3 Ángulo de posición 90° Fuerza de corte específica para un espesor medio de la viruta de 1mm

500 N/mm2

Factor de compensación del grosor del a viruta 0.2 Angulo de desprendimiento de la plaquita 0° Profundidad de corte axial 2 mm


Con estos datos utilizamos las Ecuaciones (14) al (22).

72

Velocidad del husillo (𝒏)

𝑛[𝑟𝑝𝑚] = (𝑉𝑐)(1000)

(𝜋)(𝐷𝑐)

𝑛[𝑟𝑝𝑚] = (425)(1000)

(𝜋)(6)

𝑛[𝑟𝑝𝑚] = 22546

Velocidad de avance de mesa (𝑽𝒇)

𝑉𝑓 [𝑚𝑚

𝑚𝑖𝑛] = 𝑓𝑧 . 𝑛 . 𝑍𝑐

𝑉𝑓 [𝑚𝑚

𝑚𝑖𝑛] = 0,3 𝑥 22546 𝑥 3

𝑉𝑓 [𝑚𝑚

𝑚𝑖𝑛] = 20291

Profundidad de corte radial (𝒂𝒆)


4. 𝐷𝑐


4 𝑥 6

𝑎𝑒[𝑚𝑚] = 4,5

Espesor medio de la viruta (𝒉𝒎)

ℎ𝑚[𝑚𝑚] = 360 . sen(𝑘𝑟) . 𝑎𝑒 . 𝑓𝑧

(𝜋)(𝐷𝑐) . 𝑎𝑟𝑐𝑜𝑠(1 −2. 𝑎𝑒𝐷𝑐

)

ℎ𝑚[𝑚𝑚] = 360 𝑥 sen(90) 𝑥 4,5 𝑥 0,3

(𝜋)(6) 𝑥 𝑎𝑟𝑐𝑜𝑠(1 −2 𝑥 4,5

6 )

ℎ𝑚[𝑚𝑚] = 0,21

73

Fuerza de corte especifica (𝒌𝒄)

𝑘𝑐 [𝑁

𝑚𝑚2] = 𝑘𝑐1. ℎ𝑚−𝑚𝑐. (1 −

𝑦0

100)

𝑘𝑐 [𝑁

𝑚𝑚2] = 500 𝑥 0,210,2. (1 −0

100)

𝑘𝑐 [𝑁

𝑚𝑚2] = 683,17

Potencia neta (𝑷𝒄)

𝑃𝑐[𝑘𝑤] =𝑎𝑝 . 𝑎𝑒 . 𝑉𝑓 . 𝑘𝑐

60 (106)

𝑃𝑐[𝑘𝑤] =2 𝑥 4,5 𝑥 20291 𝑥 683,17

60 (106)

𝑃𝑐[𝑘𝑤] = 2,08

Par de apriete (𝑴𝒄)

𝑀𝑐[𝑁𝑚] = 𝑃𝑐 . 30 . 103

𝜋 . 𝑛

𝑀𝑐[𝑁𝑚] = 2,08 𝑥 30 𝑥 103

𝜋 𝑥 22546

𝑀𝑐[𝑁𝑚] = 0,88

Área de corte (𝑨𝒄)

𝐴𝑐[𝑚𝑚2] = 𝑎𝑝 . ℎ𝑚

𝐴𝑐[𝑚𝑚2] = 2 𝑥 0,21

𝐴𝑐[𝑚𝑚2] = 0,42

74

Fuerza de corte (𝑭𝒄)

𝐹𝑐[𝑁] = 𝑘𝑐 . 𝑎𝑐

𝐹𝑐[𝑁] = 683,17 𝑥 0,42

𝐹𝑐[𝑁] = 286,93

Obtenemos una nueva tabla con los resultados:

Tabla 15

Parámetros resultantes de fresado de nuestro ruteador

Parámetros Datos

Velocidad de husillo 22546 Avance de mesa 20291 Profundidad de corte radial 4.5 Espesor medio de la viruta 0.21 Fuerza de corte específica 683.17 Potencia neta 2.08 Par de apriete 0.88 Área de corte 0.42 Fuerza de corte 286.93


Observamos los parámetros resultantes y evaluamos:

Tabla 16

Comparación de los motores de herramienta

Especificación DW616 DPW611

Amperios 11.0 12.0

Caballos de potencia

1.75 1.25

Velocidad sin carga

24500 16000 - 27000

Regulador de profundidad

Anillo micro fino Anillo micro fino

Diámetro del collet ½” - ¼” ½” - ¼”


75

Los criterios para elegir nuestro motor herramienta como se mencionó

anteriormente, debe ser de baja potencia y de altas revoluciones, por lo que se

optó por el motor DWALT DPW611 que además tiene un sistema de

refrigeración por aire y su velocidad en revoluciones es variable.

Sus principales características técnicas son las siguientes:

o Amperaje: 12A

o RPM: 16000 - 27000

o Potencia: 1.25 HP o 900W

o Peso: 1.8 Kg

o Voltaje: 120VAC

Para accionar este motor se emplea su propio interruptor y también tiene un

variador de velocidad. En el diseño del ruteador se busca controlar este motor

con una entrada de la computadora, para esto utilizaremos un pin del

controlador y salida del programa conectado a un circuito que controle el

encendido y apagado de este motor.

Se diseña un circuito de control para el encendido de esta herramienta, para

esto empleamos un relé de 220VAC, el motor era de 120VAC luego se

rebobina el estator a 220VAC y se considera 20A para el diseño del circuito.

El circuito debe incluir dos partes, un circuito de alimentación de 5VDC para el

relé y un circuito de 220VAC que alimente la toma del motor.

76

Figura 28. Motor DWALT DPW611


3.3.3.8 Relés para control de herramienta de tallado

Utilizamos relés que son accionados por un electroimán. El cual está

conformado por un interruptor de contactos que son accionados por un

electroimán. Cuando pasa una corriente por la bobina interna del relé el

núcleo se imanta, induce y empuja a uno de sus contactos hasta juntarse con

el otro, permitiendo así el paso de la corriente mediante estos filamentos de

contacto. Esta corriente es mucho mayor que la que pasa por la bobina

interna.

Para el control del motor DWALT realizaremos un circuito en donde irá un relé

SRD-05VDC que puede manejar cargas de hasta 250V/10A, su tamaño

pequeño es útil para este tipo de circuitos en donde el tamaño es importante.

Para conectar este relé es necesario también usar un driver que puede ser un

transistor BJT NPN 2N2222 o BC548, este relé conmuta con 5VDC por lo que

se alimentaria con la misma fuente de la tarjeta controladora, además según

77

recomendaciones usaremos un diodo 1N4004 en modo flyback que se

colocará de manera paralelo a la bobina del relay para la protección de las

corrientes inversas.

3.3.3.9 Fresa o broca de carburo de forma cónica de 60°

Existen varias herramientas llamadas fresas o brocas, se clasifican según el

material a trabajar, su forma, el tipo de corte y durabilidad. Para este caso se

requiere de una fresa de carburo de tungsteno ya que trabajaremos con

materiales blandos.

Elegimos la fresa de la serie SJ-1 con forma de cono de 60° de SYNDENT

Tools, entre sus características técnicas vemos que su diámetro de corte es

de 6mm, el largo de corte es de 4mm y la longitud de la fresa es de 5cm.

Velocidad de corte (𝑽𝒄)

Utilizando la Ecuación (13), reemplazando los datos determinados y

asumiendo que se va a trabajar con material blando, seleccionando el nivel 4

del motor DWALT DPW611: n = 22600 rpm

𝑉𝑐 [𝑚

𝑚𝑖𝑛] =

(6).𝜋.(22600)

1000

𝑉𝑐 [𝑚

𝑚𝑖𝑛] = 425

3.3.3.10 Fuente de alimentación

Se le llama así al dispositivo que transforma la corriente alterna de la red

eléctrica comercial a corriente continua; esta corriente es la que utilizaremos

para el funcionamiento de la maquina CNC.

78

Para este caso tenemos la opción de fuentes de poder lineales y

conmutativas, esta última es la que utilizaremos.

Los pasos que cumple la fuente son:

Transformación. En esta etapa se realiza la reducción del voltaje de

entrada desde la red eléctrica hasta la salida que pueden ser de 5V, 12V,

24V, 48V, etc.

Rectificación. Esta etapa nos asegura que no hayan oscilaciones de

voltaje en el tiempo. Pasando así de corriente alterna a corriente continua.

Permitiendo que el voltaje no baje de 0 voltios y que se mantenga.

Filtrado. En esta etapa se usan capacitores para lograr aplanar lo más que

se pueda la señal.

Estabilización. Es la última etapa ya disponiendo de la señal continua.

La fuente que requerimos para este ruteador es de la serie DC Switching de la

marca Powertronic de 48VDC y 12.5A de salida para el driver de los motores.

Más detalles de sus características se muestran en el anexo 8.

79

Figura 29. Fuente switching

Fuente: Powertronic, 2016

3.3.3.11 Pulsador stop

La máquina CNC tiene un pulsador de stop que funciona tanto en software

como en hardware y por diseño dispara la disipación de energías peligrosas

para detener el movimiento y detener la máquina de la manera más segura

posible.

Este dispositivo tiene la función de parar lo más rápido posible la maquina en

caso de emergencia. Es por eso que se instala en las maquinas.

Es un interruptor que se puede accionar manual o eléctricamente, puede

situarse en la línea de alimentación.

Es un mando que al ser accionado, este desconecta los circuitos que

puedan ocasionar algún peligro.

Este mando debe ser visible y de fácil acceso para el usuario.

El color del mando debe ser rojo y puede ser un pedal, pulsador, etc.

En caso de ser un pulsador, este debe ser tipo cabeza de seta de color

rojo y de fondo tener un círculo amarillo.

80

El accionamiento de este mando puede implicar la actuación de una luz o

un sonido perceptible por el usuario.

3.3.3.12 Diagrama de conexionado

En la siguiente imagen podemos apreciar más a detalle el diseño de las

conexiones, para este proyecto se determina el uso de motores paso a paso

conectados a los drivers DQ542MA y estos siendo controlados por una tarjeta

controladora DB25-1205, también apreciamos la conexión de los pulsadores

finales de carrera a la tarjeta controladora para limitar el desplazamiento de los

ejes del ruteador.

Figura 30. Diagrama de conexionado


81

3.3.3.13 Software LinuxCNC

Para el control de los motores se requiere de un software intuitivo de fácil

manejo, amigable en el entorno gráfico y con flexibilidad en sus funciones.

Tabla 17

Comparación del software de control


LinuxCNC Mach3

Funciones Se ejecuta en Linux, interfaces graficas diferentes, lectura de código G sin necesidad de generarla

Control numérico para 6 ejes, generación de código G a través de plugins del software, control de velocidad de la herramienta, interface personalizable

Aplicaciones Fresadoras, tornos, impresoras 3D, cortadoras laser y plasma

Tornos, fresadoras, máquinas de grabado

Costo Software libre Medio


Por lo que se optó por utilizar LinuxCNC, ya que es un software libre de código

abierto, diseñado por desarrolladores voluntarios en linuxcnc.org. El software

está disponible para usarse en distribuciones de Ubuntu y Debian.

Además, suele incluirse como un archivo ISO con una versión modificada de

32 bits de estos sistemas operativos. El sistema de LinuxCNC se aplica para

el control numérico de máquinas como fresadoras, tornos, cortadoras de

plasma, routers, máquinas cortadoras, robots y hexápodos.

Se puede controlar hasta 9 ejes o las articulaciones de una máquina CNC

mediante código G.

82

El código G es el lenguaje de programación usado en control numérico

computarizado. Usado principalmente en automatización, es parte de la

ingeniería asistida por computadora.

El G-code es el lenguaje que mediante instrucciones las personas ordenan a

las los ruteadores que son controlados por computadora qué deben hacer y

cómo lo deben hacer.

Con G-code podemos controlar fresadoras, cortadoras, tornos, etc.

LinuxCNC y Debian GNU/Linux deberían funcionar bien en un equipo con las

siguientes especificaciones mínimas de hardware:

Procesador x86 con una frecuencia de 700 MHz (recomendable un

procesador x86 de 1.2 GHz)

Memoria RAM de 384 MB (recomendable una memoria RAM de 1GB)

Disco duro con una capacidad de almacenamiento de 8 GB

Tarjeta gráfica con la capacidad de dar al menos una resolución de

1024x768.

El presente proyecto se ha trabajado con CPU core i3, memoria de 4GB y

disco de 500GB.

Antes de utilizar un equipo puede realizar una prueba usando el Live-CD.

83

3.4 Implementación y ensamblaje del ruteador CNC

3.4.1 Implementación de la estructura

El primer prototipo del CNC nos permitió validar y realizar las primeras correcciones,

por lo que se utilizó material en MDF para ciertas partes del prototipo por el tema de

abaratar los costos; es decir empezamos el proyecto sin haber tenido una

contrapartida económica.

Figura 31. Primera estructura del CNC


Un segundo material antes del mecanizado de las partes críticas finales nos permitió

realizar las calibraciones a detalle, por lo que se seleccionó un material en resina

como se aprecia en el siguiente gráfico:

84

Figura 32. Segunda estructura del CNC


Una vez realizada las pruebas funcionales y las calibraciones se maquino e

implemento las piezas en aluminio como se aprecia en las siguientes imágenes:

Figura 33. Pieza de aluminio


85

Figura 34. Estructura de aluminio del CNC


3.4.2 Ensamblaje del sistema de monitoreo y control

3.4.2.1 Consideraciones iniciales

Al ser el proyecto desarrollado con contrapartida del Innóvate Perú, un

problema es la demora en el financiamiento inicial, con la experiencia en

varios proyectos recomendamos el tema de prototipado con recursos propios

que permitan validar eléctrica y electrónicamente puntos críticos que para el

presente proyecto fueron el control de los motores de paso; que se realizaron

con materiales muy económicos, lo que permitió ir avanzando con ciertas

pruebas protocolares mientras duraba el desembolso. Como se aprecia en las

siguientes imágenes de pruebas preliminares con recursos propios.

86

Figura 35. Primer prototipo del CNC


Figura 36. Pruebas preliminares del prototipo


87

3.4.2.2 Consideraciones para el ensamblaje de los componentes y

módulos

Configuración y conexión de los pines en la tarjeta DB25-1205

La conexión electrónica consiste en conectar los drivers de cada motor paso a

paso a los respectivos pines Step y Direction configurados en la tarjeta.

Los finales de carrera y botón de parada de emergencia se conectan a los

pines de entrada, que son necesarias para el inicio y fin (emergente) de la

operación de la máquina CNC.

Con la configuración inicial que se muestra en la siguiente tabla se espera un

correcto movimiento de cada eje.

Tabla 18

Configuración de los pines

Pines de salida Pines de entrada

Pin 2 Spindle Brake Pin 10 Home X Pin 3 Spindle Brake Pin 11 Home Y Pin 4 X Step Pin 12 Home Z Pin 5 X Direction Pin 13 ESTOP In Pin 6 Y Step Pin 7 Y Direction Pin 8 Z Step Pin 9 Z Direction


88

Configuración del driver DQ542MA para el CNC

Para la salida de corriente según la descripción del fabricante:

Tabla 19

Configuración de las corrientes del driver

SALIDA DE CORRIENTE EN AMPERIOS

SW1 SW2 SW3 PICO RMS

ON ON ON 1.00 0.71 OFF ON ON 1.46 1.04 ON OFF ON 1.91 1.36 OFF OFF ON 2.37 1.69 ON ON OFF 2.84 2.03 OFF ON OFF 3.31 2.36 ON OFF OFF 3.76 2.69 OFF OFF OFF 4.20 3.00


Estamos usando la máxima corriente de salida para trabajar a la máxima

potencia del motor. El switch SW4 se usa para este propósito, OFF significa

que la corriente de parada es la mitad de la corriente dinámica seleccionada y

ON significa que la corriente de parada debe ser la misma que la corriente

dinámica seleccionada. Vamos a utilizar 400 pulsos por revolución.

Los pasos según la hoja de datos se configuran de la siguiente manera

(Sombreado la configuración principal):

Tabla 20

Configuración de los pasos

SW5 OFF ON OFF ON OFF ON OFF SW6 ON OFF OFF ON ON OFF OFF SW7 ON ON ON OFF OFF OFF OFF SW8 ON ON ON ON ON ON ON

PULSO/REV 400 800 1600 3200 6400 12800 25600


89

Conexión del circuito de relés

Se realiza la conexión electrónica como se indica en el siguiente circuito

esquemático. Se requerirá de dos circuitos iguales a este para conectarlos a la

herramienta de fresado Spindle.

En donde irá un relay SRD-05VDC que puede manejar cargas de hasta

250V/10A, para conectar este relay es necesario también usar un driver que

puede ser un transistor BJT NPN 2N2222 o BC548, este relay conmuta con

5VDC por lo que se alimentaria con la misma fuente de la tarjeta controladora,

además según recomendaciones usaremos un diodo 1N4004 en modo

clamping en paralelo con la bobina del relay para protección de las corrientes

inversas o fuerza contraelectromotriz.

Figura 37. Conexión del circuito de relés


Calculo de 𝑹𝑩:

Donde: 𝑉𝐶𝐶 = 5𝑉 ; 𝑅𝐵𝑜𝑏𝑖𝑛𝑎 = 400Ω ; 𝛽 = 100

𝐼𝐶 = 𝑉𝐵𝑜𝑏𝑖𝑛𝑎

𝑅𝐵𝑜𝑏𝑖𝑛𝑎=

5𝑉

400Ω= 12𝑚𝐴

90

𝐼𝐵 = 𝐼𝐶

𝛽=

12𝑚𝐴

100= 0.12𝑚𝐴

𝑉𝐵 = 5𝑉 − 0.7𝑉 = 4.3𝑉

𝑅𝐵 = 𝑉𝐵

𝐼𝐵=

4.3𝑉

0.12𝑚𝐴= 𝟑𝟓. 𝟖𝟑𝟑 𝑲Ω

Calculo de 𝑹𝑳:

Donde: 𝑉𝐿𝐸𝐷 = 2𝑉 ; 𝐼𝐿𝐸𝐷 = 10𝑚𝐴 ; 𝑉𝐿 = 3𝑉

𝑅𝐿 = 𝑉𝐿

𝐼𝐿𝐸𝐷=

3𝑉

10𝑚𝐴= 𝟑𝟎𝟎Ω

Conexión integral de los módulos

Se realiza la siguiente conexión eléctrica entre drivers, motores y la tarjeta del

puerto paralelo.

Figura 38. Conexión del sistema de control de motores


91

3.4.3 Instalación y configuración del software LinuxCNC

3.4.3.1 Instalación del software LinuxCNC

LinuxCNC es el sistema operativo Debian GNU/Linux modificado por los

desarrolladores de linuxcnc.org. Esta imagen del sistema contiene el software

LinuxCNC. La versión utilizada en este proceso de instalación es LinuxCNC

2.7.0, versión estable más reciente y está basado en Debian Wheezy.

Para la instalación de Debian GNU/Linux

Seleccione el método de instalación Install (Graphical) y presionar Enter para

iniciar el proceso de instalación.

Figura 39. Pantalla de instalación de LinuxCNC


Las pruebas de latencia, es el primer test que se debe realizar en una PC para

determinar si es capaz de conducir una máquina CNC.

92

La latencia es el tiempo que tarda el equipo para detener lo que está haciendo

y responder a una solicitud externa.

Para LinuxCNC la solicitud es BASE_THREAD que hace que el periódico

hearbeat que sirve como referencia de temporización para los pulsos de paso.

Cuanto menor sea la latencia, más rápido se puede ejecutar el hearbeat y más

rápido y más suaves serán los pulsos de paso.

La latencia es mucho más importante que la velocidad de la CPU.

Para la ejecución de Latency Test:

Menú de aplicaciones>CNC>LinuxCNC Latency Test.

Figura 40. Test de latencia


Alternativamente puede ejecutar Latency Test desde el terminal ingresando el

siguiente comando:

latency-test

93

Figura 41. Test de latencia mediante comando


Se mostrará la siguiente ventana:

Figura 42. Resultados del test de latencia


Mientras se ejecuta la prueba, se debe sobrecargar la computadora.

Por ejemplo, realizando las siguientes actividades:

Mover ventanas alrededor de la pantalla.

Navegar por la web.

Copiar archivos de gran tamaño alrededor del disco duro.

Reproducir música.

Ejecutar programas OpenGL como glxgears.

El objetivo de sobrecargar la computadora mientras se realiza la prueba de

latencia es obtener los tiempos en una condición desfavorable.

Realice la prueba por varios minutos y no ejecute LinuxCNC o Stepconf.

94

Para esta prueba, como conclusión el valor más importante de este test es

Max Jitter de Base thread.

Para concluir si la computadora es apta para ejecutar LinuxCNC se sigue los

siguientes criterios:

Si su Max Jitter es inferior a unos 15 - 20 𝜇s (15 000 - 20 000 𝑛s), la

computadora dará muy buenos resultados para generación de pulsos de

pasos.

Si la latencia máxima es más de 30 - 50 𝜇s, todavía puede obtener buenos

resultados, pero su velocidad máxima de paso podría ser un poco

decepcionante, especialmente si utiliza microstepping o tiene husillos de

paso muy fino.

Si los números son 100 𝜇s o más (100 000 𝑛s), entonces la PC no es

candidata para ejecutar LinuxCNC.

Del ejemplo anterior, se obtiene 9075 𝑛s o 9.075 𝜇s. Por lo tanto, se determina

que el equipo ejecutará LinuxCNC con excelentes resultados.

Para la configuración del puerto paralelo LinuxCNC es capaz de controlar una

amplia gama de maquinaria utilizando muchas interfaces de hardware

diferentes.

La configuración de máquinas que se controlan a través de un puerto paralelo

estándar y por señales tipo Step y Direction, se realizan con Stepconf Wizard

de LinuxCNC.

Para el Stepconf Wizard configurar los pines de puerto paralelo en la opción

de:

Menú de aplicaciones>CNC> LinuxCNC Stepconf Wizard.

95

Figura 43. Configuración en Stepconf Wizard


Alternativamente puede ejecutar Stepconf Wizard desde el terminal

ingresando el siguiente comando:

stepconf

Figura 44. Configuración en Stepconf Wizard mediante comando


Al ejecutar Stepconf se mostrará la siguiente ventana de inicio donde se indica

que se generarán archivos de configuración .ini y .hal para fresadoras y tornos

conectados al puerto paralelo de PC.

96

Figura 45. Ventana inicial de Stepconf


Al iniciar, se muestra una ventana que nos permite realizar las siguiente:

Crear una nueva configuración.

Modificar una configuración creada por Stepconf.

Importar un archivo de Mach.

Figura 46. Ventana inicial de configuración de Stepconf


97

Seleccione Create a new configuration para ejemplificar una configuración.

En la ventana de Información Básica introduzca los siguientes datos y

parámetros:

Machine Name: Elija un nombre para la máquina CNC.

Axis configuration: Escoja entre XYZ (máquina de 3 ejes), XYZA (máquina

de 4 ejes) y XZ (tornos).

Machine Units: Seleccione las unidades con las que desea operar

LinuxCNC (pulgadas o milímetros).

Drive Type: Elegir el tipo de driver de su máquina CNC. Si no lo encuentra

en el menú desplegable, ingrese a la siguiente página: Stepper Drive

Timing. En esta página encontrará los tiempos de configuración de los

drivers más populares.

Por ejemplo, se muestran los parámetros del driver DQ542MA de Wantai

Motor:

Tabla 21

Parámetros del driver

Manufacter Model Step Step Direction Direction

Time Space Hold Setup

Wantai Motors DQ542MA 5050(ns) 5050(ns) 500(ns) 500(ns)


One/Two Parport: Seleccione cuántos puertos paralelos se van a

configurar.

Base Period Maximum Jitter: Introduzca el resultado de la prueba de

latencia que se describió anteriormente. Puede realizar una nueva prueba

presionando el botón Test Base Period Jitter.

98

Figura 47. Ventana de configuración de Stepconf


Otra configuración que también fue óptima:

Figura 48. Otra configuración válida


99

3.4.3.2 Configuración del software Linux CNC

Puerto paralelo

En la ventana Parallel Port es dónde se configurará los pines de salida o

entrada del puerto paralelo. Active la casilla invertir si la señal está invertida

(0V para verdadero/activo, 5V para falso/inactivo).

Las opciones disponibles para configurar los pines de salida son las

siguientes:

o Step

o Direction

o Spindle ON

o Spindle CCW

o Spindle PWM

o Spindle Brake

o Coolant Mist

o Coolant Food

o EStop Out

o Amplifier Enable

o Charge Pump

o Digital out

o Unused

Y las opciones para configurar los pines de entrada del puerto paralelo son las

siguientes:

o Home

o Minimum Limit

o Maximum Limit

100

o Both Limit

o EStop in

o Spindle phase

o All Home

o All Limit

Por ejemplo, la configuración de una máquina CNC resultaría así:

Figura 49. Configuración de los pines


o Si no utilizará algún pin de entrada o salida debe establecerlo como

Unused.

o En la sección Output pinout presets de la ventana Parallel Port puede

preajustar automáticamente según los estándares Sherline (Direction en

los pines 2, 4, 6, 8) o Xylotex (Direction en los pines 3, 5, 7, 9).

101

Configuración de eje

El siguiente paso es la configuración de los ejes. Se mostrará primero Axis X,

luego Axis Y y Axis Z.

Figura 50. Configuración del eje X


Debe ingresar la información con respecto a los siguientes criterios:

o Motor Steps Per Revolution: Número de pasos completos por revolución

del motor. Puede hallar este parámetro si sabe cuántos grados por paso

da el motor, por ejemplo 1.8°/Step. Entonces divida 360 por los grados por

paso para encontrar el número de pasos por revolución del motor, por

ejemplo 360/1.8=200 pasos.

o Driver Microstepping: Cantidad de microstepping realizada por el driver.

Por ejemplo si escribe 2, el motor dará dos 1/2 paso para realizar una

revolución.

102

o Pulley teeth (Motor: Leadscrew): Si su máquina tiene poleas entre el motor

y el tornillo de avance, introduzca la proporción. Si no, escriba 1:1.

o Leadscrew Pitch: Introduzca los mm/rev del tornillo de avance. Si la

máquina se desplaza en la dirección incorrecta, introduzca el número con

signo negativo o invierta el pin de dirección del eje.

o Maximum Velocity, Maximum Acceleration: Los valores correctos para

estos elementos sólo pueden determinarse a través de la experimentación.

o Home location: La posición a la que se mueve la máquina después del

proceso de referencia (homing). Es decir, después de conmutar el home

swicth el eje se dirigirá a la posición asignada; por ejemplo, a 10.0 como

se observa en la ventana Axis X.

o Table travel: El rango de recorrido para el eje con respecto al origen de la

máquina. El valor de Home location debe estar dentro del rango y no igual

a uno de los valores de Table travel.

o Home Switch Location: Este ítem y los siguientes aparacen cuando los

configura en el Parallel Port. Si combina los interruptores Home Switch y

Limit Switch, el valor de Home Switch Location no puede ser el mismo que

el valor de Home Location.

o Home search velocity: La velocidad a utilizar cuando se busca el

interruptor Home Switch.

o Home Latch direction: Elija Same para que el eje retroceda del interruptor

y a continuación vuelva acercarse a una velocidad lenta. La segunda vez

que se acciona el interruptor se ajusta la posición inicial. Seleccione

Opposite para que el eje retroceda del interruptor y cuando el interruptor

se abra, la posición de inicio este ajustada.

103

o En esta misma ventana puede ejecutar el Axis Test para probar la

velocidad y aceleración del avance de cada eje.

Figura 51. Información para el eje X


Figura 52. Ventana de finalización de configuración


Al finalizar la configuración se crearán dos archivos en el Escritorio: una

carpeta que contiene los archivos *.hal e *.ini y un ejecutable, ambos archivos

están con el nombre introducido en Información Básica.

104

Figura 53. Creación de dos archivos


Las funciones de corte y fresado

Las funciones están basadas en lnkscape y gcodetools que se detalla a

continuación:

o Instalación de Inkscape

El editor profesional de gráficos vectoriales Inkscape puede ser instalado

desde el Gestor de paquetes Synaptic. Para ello siga la siguiente ruta:

Menú de aplicaciones>Configuración>Gestor de paquetes Synaptic.

Figura 54. Instalación de Inkscape


105

Introduzca la contraseña de superusuario.

Figura 55. Ventana de autenticación de Synaptic


Se abrirá la siguiente ventana:

Figura 56. Ventana de gestor de paquetes de Synaptic


En esta lista de paquetes debemos buscar Inkscape. Para ello diríjase a

Editar>Buscar.

106

Figura 57. Ventana de búsqueda de Inkscape


En la ventana que aparecerá, buscamos inkscape y en la lista desplegable

elegimos Nombre.

Figura 58. Búsqueda de Inkscape


Aparecerá el paquete Inkscape de versión 0.48.

Se hace doble clic en el casillero de selección para proceder con la

instalación.

107

Figura 59. Ventana del paquete Inkscape


En consecuencia, se mostrará una lista de paquetes necesarios para instalar

Inkscape. Seleccione Marcar.

Figura 60. Lista del paquetes


108

Seleccione Aplicar para iniciar con la instalación.

Figura 61. Aplicación de los paquetes


Figura 62. Aplicación de los cambios


En las siguientes ventanas se mostrará el proceso de descarga e instalación

del paquete.

109

Figura 63. Ventana de descarga de paquetes


Figura 64. Ventana de instalación de software Inkscape


Finalmente, la instalación ha terminado y los cambios han sido aplicados.

Figura 65. Ventana de cambios aplicados


110

Cuando haga uso de la extensión Gcodetools, Inkscape le mostrará el

siguiente mensaje:

Figura 66. Mensaje de ejecución de Gcodetools


Donde Inkscape le informa que se necesita de una extensión adicional.

Para ello, busque el paquete python-lxml.

Figura 67. Búsqueda de extensión python-lxml


Y continúe el proceso de instalación como se explicó para el software

Inkscape.

111

o Instalación de Gcodetools

La extensión Gcodetools viene instalado en la versión reciente de Inkscape

(0.91), pero la versión que se instaló es una versión anterior estable (0.48) y

compatible con Debian Wheezy.

Primero descargue el paquete Gcodetools del siguiente enlace: www.cnc-

club.ru/gcodetools. Y diríjase a la sección Get latest versions de la página para

descargar la versión estable actual.

En esta ocasión se descargó la versión 1.7 de Gcodetools. El archivo es un

comprimido de extensión: .tar.gz.

Figura 68. Archivo de Gcodetools


Proceda a extraer el contenido en una carpeta. En este ejemplo se creó una

nueva carpeta llamada gcodetools.

112

Figura 69. Descomprimir archivo de Gcodetools


Figura 70. Extracción de archivo Gcodetools


113

Una vez descomprimido el archivo, copie solo los archivos de la carpeta donde

extrajo el contenido y cópielos en la siguiente ruta:

/usr/share/inkscape/extensions.

Para ello debe de realizarlo como superusuario, como se muestra a

continuación:

Figura 71. Acceso al superusuario


Finalmente, Gcodetools ha sido instalado y lo hallamos en el menú

Extensiones.

Figura 72. Pantalla principal de Gcodetools


114

Generación de Código G a partir de una imagen

El primer paso es importar la imagen a Inkscape.

Figura 73. Importación de una imagen a Inkscape


Luego de seleccionar la imagen, aparecerá la siguiente ventana:

Figura 74. Incrustar la imagen


Se recomienda elegir incrustar para obtener un solo archivo.

Establezca la posición de la imagen en la coordenada X: 0,00 y Y: 0,00.

Adicionalmente puede establecer el ancho y alto de la imagen. Si desea

115

mantener la proporción, primero presione en el ícono candado; para luego

cambiar el ancho o alto.

La imagen se ubicará en el vértice inferior izquierdo de la hoja de trabajo y con

las dimensiones establecidas.

Figura 75. Hoja de trabajo


La imagen está conformada por pixeles (mapa de bits). Para generar el código

G se debe vectorizar la imagen.

Diríjase a Trayecto>Vectorizar mapa de bits.

116

Figura 76. Vectorizar la imagen


A continuación, se mostrará la siguiente ventana:

Figura 77. Ventana para vectorizar la imagen


En esta ventana puede personalizar las características de la imagen, para

observar cada cambio pulse en Actualizar.

Al trayecto originado se le aplica Desvío dinámico que adicionalmente permite

ampliar o reducir el trayecto dependiendo de un gestor de desvío que aparece

117

al seleccionar esta opción. Tras aplicar esta opción, el trayecto dinámico no es

editable por lo que para modificarlo habría que convertirlo de nuevo a trayecto

normal con la opción Objeto a trayecto

Figura 78. Desvío dinámico


Gcodetools necesita para sus cálculos, definir por los menos dos puntos como

referencia. Para crear los puntos de orientación diríjase a

Extensiones>Gcodetools>Orientation points.

Figura 79. Puntos de orientación


118

Se mostrará la siguiente ventana en el cual debe introducir los siguientes

parámetros: Superficie de Z y Profundidad Z. Además, debe elegir las

unidades.

Figura 80. Ingreso de parámetros de orientación


Con estos valores la máquina CNC cortará a una profundidad de un milímetro

desde la superficie.

Cierre la ventana y visualizará los puntos de orientación en la parte inferior de

la hoja de trabajo.

Figura 81. Puntos de orientación en la hoja de trabajo


119

Luego diríjase a Extensiones>Gcodetools>Tools library.

En esta ventana deberá escoger el tipo de herramienta de fresado.

Figura 82. Elección del tipo de herramienta


Luego de aplicar los cambios aparecerá la siguiente lista de parámetros para

generar el código G.

Figura 83. Lista de parámetros


120

Para modificar algún valor por defecto, diríjase a la barra izquierda de la

ventana de Inkscape y haga clic en o presione F8. Luego seleccione el

valor a modificar y edite el texto.

Luego diríjase a Extensiones>Gcodetools>Path to Gcode.

Este es la última ventana para generar el código G.

Figura 84. Ventana de modificación de parámetros


En la sección Preferences nombre el archivo de código con extensión *.ngc y

el directorio donde lo desea guardar.

Antes de aplicar los cambios deberá salir de la sección Preferences sino se

mostrará el siguiente mensaje de error.

121

Figura 85. Mensaje de error


Una vez aplicado los cambios, podrá abrir el archivo de código G en el

software LinuxCNC.

Interfaces de LinuxCNC (Interfaz Axis)

Al ejecutar el archivo originado por Stepconf, LinuxCNC se mostrará mediante

el Interfaz AXIS.

Figura 86. Interfaz AXIS


122

Barra de menú

File:

o Open

o Recent Files

o Edit

o Reload

o Save gcode as

o Properties

o Edit tool table

o Reload tool table

o Ladder editor

o Quit

Machine:

o Toggle Emergency Stop

o Toggle Machine Power

o Run Program

o Run from selectec line

o Step

o Pause

o Stop

o Stop at M1

o Skip lines with “/”

o Clear MDI history

o Copy from MDI history

123

o Paste to MDI history

o Calibration

o Show HAL Configuration

o HAL meter

o HAL Scope

o Show LinuxCNC Status

o Set Debug level

o Homing

o Unhoming

o Zero Coordinate System

o Tool touch off to workpiece

o Tool touch oof to fixture

View:

o Top view

o Rotated Top View

o Side view

o Front View

o Perspetive View

o Display inches

o Dispaly mm

o Show program

o Show program rapids

o Alpha-blend program

o Show live plot

124

o Show Tool

o Show Extents

o Show Offset

o Show Machine limits

o Show velocity

o Show distance go

o Clear live plot

o Show commanded postition

o Show actual position

o Show machine position

o Show relative position

o Help

o About Axis

o Quick Reference

Barra de herramientas

: Parada de emergencia o E-Stop (F1)

: Encendido de la máquina (F2)

: Abrir el archivo de código G

: Actualizar el archivo el actual (Ctrl-R)

: Empezar a ejecutar el archivo actual (R)

125

: Ejecutar la siguiente línea

: Pausar la ejecución (P) o reanudar la ejecución (S)

: Detener la ejecución del programa

: Saltar lineas con “/” (Alt-M-/)

: Pausa opcional

: Acercarse

: Alejarse

: Vista desde arriba

: Vista superior girada

: Vista lateral

: Visita frontal

: Vista de perspectiva

: Modo de arrastrar y girar

: Limpiar live backplot

Para cargar el código G diríjase a File > Open.

126

Figura 87. Ventana para cargar el código G


Y escoja el archivo en formato *.ngc.

Alternativamente, puede seleccionar una imagen, pero deberá realizar unos

pasos adicionales.

Figura 88. Ventana para escoger una imagen


Al abrir el archivo de código G se mostrará en la vista previa del interfaz.

127

Figura 89. Código G en la interfaz AXIS


Para correr el programa e iniciar con la operación de corte se deben

restablecer los Home de cada eje. Para ello los finales de carrera deben estar

ubicados en la máquina CNC.

Figura 90. Restablecer los Home de los ejes


128

Una vez establecido el origen de X, Y y Z.

Figura 91. Origen de los ejes


Finalmente se podrá ejecutar el programa. Para ello presione R del teclado o

haga clic en el símbolo de ejecución ( ).

Figura 92. Ventana de ejecución del programa


129

3.5 Pruebas y validación del ruteador CNC

3.5.1 Protocolo de pruebas unitarias

En las siguientes pruebas ponemos en validación cada una de las partes principales

del ruteador por separado.

3.5.1.1 Prueba 1

Tipo de Prueba: Test de Latencia (Latency test)

Área: Proyectos

Procedimiento

Describir el procedimiento del test, enumerando los pasos

o Se ejecuta Latency Test.

o Ejecutar varios programas en simultáneo para poner a prueba la

latencia de la computadora.

o Determinar si la computadora es apta para ejecutar LinuxCNC en base

a los tiempos obtenidos en el test.

Resultados

Test de latencia con sobrecarga de programas y conexión a internet:

Tabla 22

Resultado 1 del test de latencia

Max interval

(ns) Max Jitter

(ns) Last internal

(ns)

Servo thread (1.0ms)

1011478 19880 998968

Base thread (25.0us)

35078 15192 24957


130

El tiempo Max. Jitter es menor a 20us, por lo tanto, la computadora dará muy

buenos resultados para la generación de pulsos de pasos.

Los programas ejecutados son los que están incluidos en el paquete de

programas de Debian Wheezy.

Durante los 40 minutos de test, no se observó ninguna variación significativa

del tiempo Max. Jitter mientras se ejecutaban múltiples tareas.

Test de latencia sin sobre carga de programas y actividades:

Tabla 23

Resultado 2 del test de latencia

Max interval

(ns) Max Jitter

(ns) Last internal

(ns)

Servo thread (1.0ms)

1006455 14265 1000008

Base thread (25.0us)

33603 11279 24957


3.5.1.2 Prueba 2

Tipo de Prueba: Configuración de los pines de I/O en LinuxCNC

Área: Proyectos

Procedimiento

Describir cómo y dónde se hace la configuración, los números de puertos

escogidos, los pines utilizados, describir el circuito usado.

o Se conecta la tarjeta breakout DB25-1205 a un puerto paralelo de la

computadora.

o Se ejecuta Stepconf Wizard.

o Luego se completa la información básica del programa.

131

o Se procede a configurar los pines de la tarjeta optoacoplada DB25-

1205

o Configuración de los pines

La conexión electrónica consiste en conectar los drivers de cada motor paso a

paso a los respectivos pines Step y Direction configurados en la tarjeta DB25-

1205.

Los finales de carrera y botón de parada de emergencia se conectan a los

pines de entrada, que son necesarias para el inicio y fin (emergente) de la

operación de la máquina CNC.

Resultados

Siguiendo lo descrito anteriormente. El resultado no fue satisfactorio con

respecto a los motores paso a paso del eje X. Se observó que solo se movía

un motor del eje X, el conectado a los primeros pines de la tarjeta. En

consecuencia, se conectó un solo pin Step y un solo pin Direction a los dos

drivers del eje X.

Con la configuración que se observa en la siguiente tabla se logró un correcto

movimiento de cada eje siendo satisfactorio el resultado de esta prueba.

Tabla 24

Configuración valida de los pines




132

3.5.1.3 Prueba 3

Tipo de Prueba: Prueba de señal de Parada de Emergencia

Área: Proyectos

Procedimiento

Describir el procedimiento y ubicación del botón en la interfaz, las acciones al

encender y apagar la máquina, habilitado o deshabilitado de funciones

o Se ejecuta el programa producido por Stepconf.

o Se desbloquea el botón de apagado ubicado en la esquina superior

izquierda de la ventana.

o Para dar inicio a la operación de la máquina CNC, se presiona el botón

anaranjado ubicado a la derecha del botón de apagado.

o Para realizar una parada de emergencia, se debe verificar que el

contacto de emergencia esté conectado a un pin de entrada de la

tarjeta optoacoplada del puerto paralelo.

Resultados

Al accionar el botón de emergencia se observa que el interfaz Axis de la CNC

se apaga y bloquea. En consecuencia, se dejan de generar los pulsos para

mover los motores de cada eje. Es decir, la maquina CNC se detiene, siendo

satisfactorio los resultados de esta prueba.

133

3.5.1.4 Prueba 4

Tipo de Prueba: Encendido y apagado del Spindle mediante Interfaz Axis

Área: Proyectos

Procedimiento

Describir el procedimiento.

o Establecer dos pines como salida en el proceso de configuración de

Stepconf.

En la siguiente tabla se muestra la configuración establecida anteriormente:

Tabla 25

Configuración valida de los pines




o Ejecutar el Interfaz Axis que fue configurado por Stepconf.

o Dar inicio al programa con el botón ON del Interfaz Axis.

o Girar o detener el torno desde la sección Spindle del “Control manual”

del interfaz.

Resultados

Se decidió usar dos pines de salida para ambas líneas de la corriente alterna

que corresponden a la alimentación del Spindle para interrumpir cualquier

potencial eléctrico.

134

Al dar click en Stop se aprecia un check () en Brake de la sección Spindle y

la inmediata pausa del torno. Análogamente al dar click en Giro se desmarca

el check y se da inicio al giro del torno.

3.5.1.5 Prueba 5

Tipo de Prueba: Prueba de circuito de relés

Área: Proyectos

Procedimiento


o Se realiza la conexión electrónica como se indicó en la Figura 38 del

capítulo 3. Se requerirá de dos circuitos iguales para conectarlos a la

herramienta de fresado Spindle.

o Se procede a conectar las líneas de alimentación del Spindle al

terminal Común (C) y a Normalmente Abierto (NA).

o Se da la misma señal de estado lógico a los dos circuitos de cada relé

con un microcontrolador o mediante la conexión a 5VDC o a tierra de

la fuente de alimentación de la tarjeta optoacoplada.

Resultados

De acuerdo a la señal de entrada se obtienen los resultados que a

continuación se muestran.

Tabla 26

Resultados de la conmutación del motor

Señal de entrada Relés Spindle

5V No conmutan No gira 0V Conmutan a NA Gira


135

Esta conexión trabajará en conjunto con el software LinuxCNC mediante la

tarjeta DB25-1205.

3.5.1.6 Prueba 6

Tipo de Prueba: Prueba de driver de motor

Área: Electrónica

Procedimiento


o Se realiza la conexión eléctrica mostrada en la Figura 39 del capítulo 3

entre driver, motor y la tarjeta del puerto paralelo.

o En el proceso de configuración de pines se debe establecer para cada

eje un pin como Step y otro como Direction.

Para el caso del eje X:

Tabla 27

Configuración de los pines 4 y 5 del driver

Pin Output Invert

Pin 4 X Step

Pin 5 X Direction


o En la ventana Axis de Stepconf, se ejecuta Test this Axis.

o Dentro de la ventana se establece el recorrido de prueba, velocidad y

aceleración.

136

Resultados

Este proceso se realizó para cada motor de manera individual con su

respectivo driver. Además se debió marcar en Invertir para lograr el giro del

motor debido a que las conexiones se realizaron con una lógica negativa es

decir los 5V como referencia y las señales se enviaban a PUL- y DIREC-.

3.5.1.7 Prueba 7

Tipo de Prueba: Pruebas de voltajes y corrientes en fuentes de poder

Área: Electrónica

Procedimiento


o Se conectan las fuentes, drivers, tarjeta controladora y motores.

o Se configura el Stepconf para realizar la prueba.

o Se mide los valores de voltaje y corriente de la fuente de poder para

los drivers.

Se utiliza una fuente Switching de 48 VDC – 12.5 A.

Tabla 28

Valores de la fuente Switching

Valor Medido

Voltaje de entrada 225 VAC Corriente de entrada

(sin operación de un motor) 0.35 A

Corriente de entrada (con movimiento de un motor)

0.51 A

Voltaje de salida 48.04 VDC


137

o Se mide el voltaje y corriente de alimentación del driver DQM542MA.

o Se realizan las medidas para el caso del driver del motor PAP Y:

Tabla 29

Valores del driver en el motor Y

Valor Medido

Voltaje de alimentación 48.02 VDC Corriente de alimentación

(sin operación del motor PAP) 0.328 ADC , 0.021 ARMS

Corriente de alimentación (con ejecución del motor PAP)

0.58 – 0.70 ADC, 0.44 ARMS


o Se mide la corriente de alimentación según la velocidad y aceleración.

Los valores que se muestran en la siguiente tabla están en valores RMS:

Tabla 30

Valores de velocidad y aceleración

Velocidad 40 𝑚𝑚/𝑠 50 𝑚𝑚/𝑠 60 𝑚𝑚/𝑠 70 𝑚𝑚/𝑠

Aceleración

500 𝑚𝑚/𝑠2 0.68 A 0.45 A 0.42 A 0.41 A

600 𝑚𝑚/𝑠2 0.69 A 0.44 A 0.41 A 0.40 A

700 𝑚𝑚/𝑠2 0.69 A 0.44 A 0.40 A 0.37 A

800 𝑚𝑚/𝑠2 0.70 A 0.44 A 0.39 A 0.36 A


o Se mide el valor de voltaje y corriente de alimentación de la tarjeta

DB25-1205.

En la siguiente tabla se muestran los valores de alimentación de la tarjeta

DB25-1205 mediante una fuente Switching de 5VDC:

138

Tabla 31

Valores en DB25-1205 con la fuente Switching

Valor Medido

Voltaje de alimentación 5.00 VDC Corriente de alimentación

(sin ejecución de LinuxCNC) 120.5 mA

Corriente de alimentación (con ejecución de un motor PAP)

120.7 – 130.5 mA


3.5.1.8 Prueba 8

Tipo de Prueba: Prueba de conectividad de todo el circuito

Área: Electrónica

Procedimiento


o Se conecta la tarjeta opto acoplada DB25-1205 al puerto paralelo de la

computadora.

o Se conectan los pines de salida de la tarjeta DB25-1205 a las entradas

PUL- y DIREC- del driver DQ542MA, además los pines de salida para

la conmutación de los relés.

o Se conectan los finales de carrera de cada eje y el botón de parada de

emergencia a los pines de entrada de la tarjeta controladora DB25-

1205.

o Se conectan las 2 fases de los motores PAP a los terminales A+, A-,

B+ y B- del driver.

o La fuente de poder es conectada a los drivers de cada motor.

o La fuente de poder de 5V es conectada a la tarjeta DB25-1205.

o Se conecta las líneas de alimentación del spindle a los relés.

139

o Se procede a conectar las fuentes de alimentación a la red eléctrica.

Resultados

En esta prueba se comprobó la continuidad de las conexiones que se indican

en cada paso. En el proceso se encontró algunas discontinuidades, que no

permitían el control de giro del motor y este solo se encontraba energizado. Se

procedió a su corrección, obteniendo un adecuado funcionamiento de los

motores.

3.5.2 Protocolo de pruebas integrales

En estas pruebas se evalúan partes integradas del ruteador CNC.

3.5.2.1 Prueba 1

Prueba: Calibración de los ejes

Procedimiento:

o Posicionar los finales de carrera en el extremo de cada eje.

Para el Eje X:

o Se colocaron dos interruptores en los extremos del eje X.

o Ambos fueron conectados en paralelo.

Para el Eje Y:

o Se colocaron dos interruptores a doce centímetros de cada extremo del

eje Y. Debido a que la posición de la fresadora en los extremos del eje

Y no se encuentra en el área de trabajo.

Para el Eje Z:

o Solo se colocó un interruptor a quince centímetros del extremo superior

del eje Z para establecer el límite del eje. El Home Z se establecerá de

manera manual.

140

Conexión de los finales de carrera a la tarjeta breakout DB25-1205.

o Para cada eje se obtienen dos terminales de los finales de carrera

conectados en paralelo.

o El terminal conectado a los COM de los interruptores se conecta a

GND de la tarjeta opto acoplada del puerto paralelo.

Para el Eje X:

o El terminal conectado a los NO (Normally Open) de los interruptores en

paralelo se conecta al pin de entrada P10.

Para el Eje Y:

o El terminal conectado a los NO (Normally Open) se conecta al pin de

entrada P11.

Para el Eje Z:

o El terminal conectado a los NO (Normally Open) se conecta al pin de

entrada P12.

Establecer los pines de entrada los interruptores en Stepconf.

o Se configura los pines de entrada como el origen y límites de cada eje.

Tabla 32

Configuración de los pines en Stepconf

Pin de entrada Señal

P10 Home X + Both Limit X P11 Home Y + Both Limit Y P12 Minimum Limit Z


o Para el eje Z se configura el límite mínimo que debe bajar la fresadora

y no corte la base del área de trabajo.

141

o El Home Z se establecerá manualmente dependiendo del grosor del

material a ser cortado.

o Las señales deben ser invertidas porque se espera 5V (verdadero

lógico) al conmutar los interruptores.

Configurar los parámetros de origen y recorrido de cada eje.

En la sección AXIS de cada eje se ingresan los siguientes parámetros:

o Las unidades de distancia están en mm y de velocidad en mm/s.

Para el Eje X:

Tabla 33

Configuración de los parámetros de origen y recorrido en X

Home location 0.0 Table travel 0.0 to 650.0

Home switch location -5.0 Home search velocity -15.0 Home latch direcction Same


Para el Eje Y:

Tabla 34

Configuración de los parámetros de origen y recorrido en Y


Home switch location -5.0 Home search velocity -15.0 Home latch direcction Same


142

Para el Eje Z:

Tabla 35

Configuración de los parámetros de origen y recorrido en Z


Home switch location - Home search velocity - Home latch direcction -


3.5.2.2 Prueba 2

Prueba: Parada de emergencia de la máquina CNC.

Procedimiento:

o Ubicar el botón de parada de emergencia al alcance del operario.

o Conectar el botón de parada de emergencia a la tarjeta DB25-1205.

o Se conecta los terminales del botón de parada de emergencia al pin de

entrada P13.

o Conectar los relés a la tarjeta DB25-1205 y a la fresadora.

Cada relé se conecta como se muestra en el siguiente esquema:

Figura 93. Conexión del sistema de emergencia


143

o El pin P2 de salida de la tarjeta DB25-1205 se conecta a IN1. Ambos

relés conmutan a la vez.

o Los terminales COM de ambos relés se conectan a la red eléctrica y

los terminales NA se conectan a ambos terminales de la fresadora.

Establecer los pines de entrada y salida.

o Se configura los pines de entrada y salida en Stepconf.

Tabla 36

Configuración de los pines de I/O en Stepconf

Pin Input Pin Output

P13 ESTOP In P2 Spindle Brake


o Ejecutar el programa configurado por Stepconf.

o Abrir un archivo *.ngc e iniciar la operación de corte.

o Accionar el botón.

En plena operación de corte presionar el botón de parada de emergencia. El

interfaz de LinuxCNC se bloqueará, la máquina CNC y la fresadora (spindle)

se detendrán.

144

CAPÍTULO 4

RESULTADOS

4.1 Resultados

Primera Etapa

En la primera etapa tenemos como resultado el diseño estructural ya definido de la

maquina ruteadora CNC.

En esta etapa del proyecto obtenemos también un esquema de funcionalidades y

características (corte, fresado, dimensiones, velocidad de operación)

Figura 94. Modelado del CNC


145

Segunda Etapa

En la segunda etapa del proyecto obtenemos un modelo físico del ruteador CNC

ensamblado y funcional.

Figura 95. Ensamblado de los módulos


Figura 96. Ruteador CNC funcional


146

Tercera Etapa

En la última etapa del proyecto tenemos como resultado un ruteador CNC validado a

escala piloto.

Con este ruteador, la empresa CIDIACCTEC reduce sus tiempos de obtención de los

materiales educativos, siendo anteriormente de 5 a 7 días, actualmente es de 1 a 2

días como máximo para tener los kits de robótica listos para los talleres.

Teniendo la empresa CIDIACCTEC un ruteador propio también abarata costos en

cuanto a la producción de los materiales educativos.

Figura 97. Ruteador CNC validado


Figura 98. Material en proceso de corte y fresado


147

Protocolo de Pruebas

El tiempo Max. Jitter es menor a 20us, por lo tanto, la computadora dará muy buenos

resultados para la generación de pulsos de pasos.

Con la configuración que se observa en la siguiente tabla se logró un correcto

movimiento de cada eje.

Tabla 37

Configuración validada de los pines




Al accionar el botón de emergencia se observa que el interfaz Axis de la CNC se

apaga y bloquea. En consecuencia, se dejan de generar los pulsos para mover los

motores de cada eje. Es decir, la maquina CNC se detiene, siendo satisfactorio los

resultados de esta prueba.

Se verifico el encendido y apagado del Spindle mediante el Interfaz Axis, se decidió

usar dos pines de salida para ambas líneas de la corriente alterna que corresponden

a la alimentación del Spindle para interrumpir cualquier potencial eléctrico.

Al dar click en Stop se aprecia un check () en Brake de la sección Spindle y la

inmediata pausa del torno. Análogamente al dar click en Giro se desmarca el check y

se da inicio al giro del torno.

148

Las pruebas de voltajes y corrientes en las fuentes de poder fueron satisfactorias, se

evaluaron mediante mediciones y estas están dentro del rango aceptable.

Se realizaron las conexiones entre fuentes, drivers, tarjeta controladora y motores, se

realizaron las pruebas de conectividad de todo el circuito obteniendo un adecuado

funcionamiento de los motores.

Pruebas de corte y fresado

Las pruebas dependerán del diseño y la opción de corte o fresado, siendo algunos de

ellos los siguientes.

Figura 99. Pruebas de corte y fresado


149

4.2 Presupuesto

En el costo de lo que significa ejecutar este proyecto, se consideran precios del mercado

nacional y obteniéndose también los precios de los componentes necesarios, así como las

partes a fabricar. Los montos se muestras en la siguiente tabla, según algunos precios de las

proformas que se muestran en los anexos 8 y 9.

Tabla 38

Presupuesto del ruteador CNC

Posición Descripción Cantidad Precio

Unitario (S/)

Precio Total (S/)

1 Interruptor diferencial 1 78.00 78.00

2 Relé térmico 1 140.00 140.00

3 Pulsador de bloqueo 1 60.00 60.00

4 Husillo y rosca para husillo 4 45.00 180.00

5 Soporte para husillos 4 55.00 220.00

6 Rodamiento lineal para CNC 14 70.00 980.00

7 Tarjeta controladora DB25-1205 1 340.00 340.00

8 Fuente Switching 48V 1 360.00 360.00

9 Driver para manejo de CNC con relay y optoaclopador

1 68.00 68.00

10 Driver para motor PAP DQ542MA 4 425.00 1700.00

11 Sensor de posición tipo fin de carrera

8 8.00 64.00

12 Motor de paso para CNC Wantai Nema 23

4 320.00 1280.00

13

Aluminio Estructural 2 Perfil estructural T-slot 30x60mm, largo 75cm y 3 Perfil estructural T-slot 30x60mm, largo 90.6cm

1 850.00 850.00

14

Insumos y materiales varios (cables, integrados, resistencias, condensadores materia prima para pruebas y otros)

1 3500.00 3500.00

Presupuesto Total (S/) 9820.00


150

CONCLUSIONES

1. Se definieron a través de un esquema las características y funcionalidades del ruteador

CNC. Esto nos sirve para determinar el modelo de diseño que tiene la máquina.

2. Se logra diseñar la estructura de la máquina y sus módulos según las funcionalidades

requeridas, se realizaron prototipos con recursos propios en un inicio para que el

proyecto no se retrase debido a la demora en el financiamiento inicial por parte de

Innóvate Perú.

3. Se decide trabajar con el software LinuxCNC, ya que es un software de control basado

en open source, se realiza la instalación con una previa evaluación de correcto

rendimiento en la computadora obtenida, para luego realizar la configuración respectiva

de acuerdo a las características del ruteador.

4. Se implementan y ensamblan los módulos del ruteador según el diseño de conexionado,

considerando las características y configuraciones de cada componente seleccionado.

Se obtiene así el ruteador ensamblado en su totalidad.

151

5. Se realizan distintas pruebas de funcionamiento y operatividad del ruteador, se prueba de

manera independiente en cada etapa de la máquina y también de manera integral

realizando cortes de materiales requeridos. Luego de algunos ajustes se obtiene la

validación del ruteador CNC.

6. El tiempo para obtener los materiales educativos se reducen considerablemente, es

decir, anteriormente se tenía que esperar entre 5 a 7 días para que otras empresas

puedan producir y entregar los materiales a CIDIACCEC, y tener los kits de robótica listos

para ser entregados a los alumnos, con la implementación del ruteador la empresa

CIDIACCTEC reduce ese tiempo a 1 o 2 días como máximo. Se genera también un

ahorro para la empresa en cuanto a los gastos que se efectuaban en el proceso de corte

y fresado, ya que las empresas cobraban por cada minuto de funcionamiento de sus

máquinas CNC.

7. Se obtiene la implementación de un ruteador CNC de tres ejes, el cual fue financiado en

convenio con FIDECOM. El proyecto consta en la construcción de un ruteador de corte y

fresado con sensores de posición, sistema embebido de monitoreo, control numérico

computarizado, sistema cartesiano de tres ejes y software de control basado en open

source, en convenio también con la Universidad Nacional del Callao en donde se

realizaron las pruebas de funcionamiento y validación de la máquina. Logrando así la

mejora en el proceso de obtención de material educativo en la empresa CIDIACCTEC.

152

RECOMENDACIONES

1. Considerar siempre las características técnicas de los componentes para la etapa de

diseño y pruebas de funcionamiento.

2. Para un adecuado funcionamiento de los motores es necesario un controlador de mayor

potencia a lo requerido por el motor, esto para evitar que el controlador se recaliente.

3. Tomar medidas de seguridad al manipular conexiones y módulos que trabajan con

220VAC, utilizar cableados de buena calidad y evitar malas conexiones en la circuitería.

4. Considerar elaborar u manual de servicio para los mantenimientos preventivos del

ruteador, para alargar la vida útil de la máquina.

5. Proponer el trabajo con otros materiales, como por ejemplo metales o manufactura de

vidrio, es decir, mejorar la maquina a una escala mayor y poder comercializar el

producto.

153

BIBLIOGRAFIAS

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https://omronfs.omron.com/en_US/ecb/products/pdf/en-ss.pdf

155

ANEXO 1

Figura 100. Aprobación del proyecto por FIDECOM

Fuente: Innóvate Perú. (2015)

156

ANEXO 2

Figura 101. Convenio de adjudicación del proyecto

Fuente: Innóvate Perú. (2015)

157

ANEXO 3

Tabla 39

Flujo de caja (cifras en soles)

Años 0 1 2 3 4 5 6

Ventas 5000 5500 6000 6500 7000 7500

Costo de Venta -2000 -2200 -2400 -2600 -2800 -3000

Depreciación -1964 -1964 -1964 -1964 -1964 0

EBIT 1036 1336 1636 1936 2236 4500

Impuesto a la Renta 0 0 0 0 0 0

UDI 1036 1336 1636 1936 2236 4500

Depreciación

1964 1964 1964 1964 1964 0

FCO

3000 3300 3600 3900 4200 4500

Inversión -9820 3000

FCEcon -9820 3000 3300 3600 3900 4200 7500

VAN 7,844.46

TIR 31% Fuente: Elaboración propia

158

ANEXO 4

Figura 102. Características técnicas de motor PAP WT57STH115-4204A

Fuente: Wantai Motor. (2010)

159

ANEXO 5

Figura 103. Características de los husillos de precisión SND/BND

Fuente: SFK. (2013)

160

ANEXO 6

Figura 104. Características de los carros LLTHC

Fuente: SFK. (2014)

161

ANEXO 7

Figura 105. Características de los raíles LLTHR

Fuente: SFK. (2014)

162

ANEXO 8

Figura 106. Cotización de fuente de poder switching


163

ANEXO 9

Figura 107. Proforma de componentes electrónicos


DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN RUTEADOR CNC DE TRES …

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